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试验一工具钢热处理工艺组织性能的系统分析
工具钢热处理工艺-组织-性能的系统分析
(综合性实验)
一、实验目的
1.掌握工具钢热处理中成分—工艺—组织—性能内在关系;
2.通过实验,掌握材料的系统分析方法。
3.了解工具钢不同工艺条件下的常见组织。
二、实验原理
工具钢主要用于制造各种切削刀具,模具和量具。所以要有高的硬度和耐磨性、高的强度和冲击韧性等。常用的工具钢有T10、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V等。T10是普通碳素工具钢,淬火-回火态组织为:回火马氏体+颗粒状碳化物渗碳体+少量残余奥氏体。9CrSi是低合金工具钢,淬火-回火态组织为:回火马氏体+颗粒状碳化物渗碳体。Cr12MoV是模具钢,淬火-回火态组织为:回火马氏体+块状碳化物渗碳体。下面以高速钢为例,介绍其热处理工艺特点,显微组织与性能的关系。
铸态的高速钢的显微组织黑色组织为δ共析相;白色组织是马氏体和残余奥氏体;鱼骨状组织是共晶莱氏体。铸态高速钢的显微组织中,碳化物粗大,且很不均匀,不能直接使用,必须进行反复锻造。锻造后还须进行退火。退火的目的:① 消除锻造应力,降低硬度便于切削加工;② 为淬火组织做好组织上的准备。因为原组织为马氏体、屈氏体、或索氏体的高速钢,未经退火,淬火时可能引起萘状断口。退火温度宜为860~880℃,加热时间为3~4小时左右,为了缩短退火时间,一般采用等温退火,即:860~880℃加热3~4小时,炉冷到700~750℃等温4~6小时。锻造退火组织:在索氏体基体上分布着粗大的初生碳化物和较细的次生碳化物(碳化物呈白亮点)。
高速钢的淬火工艺的特点:主要是加热淬火温度高。目的是尽可能多的使碳和合金溶入奥氏体。高速钢的淬火方法有油淬、分级、等温、空冷等。以W18Cr4V为例,淬火温度在1270℃~1290℃,淬火组织是由(60~70%)马氏体和(25~30%)残余奥氏体及接近10%的加热时未溶的碳化物组成,晶粒度9~10级。硬度63~64HRC。当淬火温度不足,在1240℃~1260℃时,碳化物大部分未溶入奥氏体,晶粒度为11~12级。硬度62~63HRC。当淬火温度过高,在1300℃~1310℃时,碳化物数量减少,晶粒度7~8级。硬度64~65HRC。当淬火加热温度达1320℃左右时,晶界开始熔化,出现共晶莱氏体和δ共析相,此时过烧。当两次淬火之间未经充分退火,易产生萘状断口,断口呈鱼鳞状白色闪光,如萘光,晶粒粗大,或大小不匀。为了进一步减少变形并提高韧性,对于形状复杂,碳化物偏析严重的刀具可用等温淬火。等温温度为240~280℃左右,其组织为40~50%下贝氏体和20%马氏体和35~45%残余奥氏体及未溶碳化物。
高速钢回火工艺的特点,主要是回火温度高,回火次数多,回火温度在560~570℃时,硬度和强度可达到最大值。由于淬火高速钢中残余奥氏体数量较多,经一次回火后,仍有10%的未转变,硬度64~65HRC。再进行两次回火,才能基本转变完。第一次回火对淬火马氏体起回火作用,而在回火冷却中残余奥氏体转变成马氏体时又产生了新的应力,所以需要第二次回火,而第二次回火后由产生新的应力,还需要第三次回火进一步消除应力,有利于提高钢的强度和韧性,所以高速钢的典型回火规定是560℃,回火三次,每次1小时,回火后钢的硬度比淬火后略高,约在63~66HRC,得到组织是回火马氏体和未溶碳化物和1~2%残余奥氏体。
三、实验设备及试样
1.设备:4X型金相显微镜;洛氏硬度计。
2.试样: 1)9CrSi、Cr12MoV的金相试样一套;
2)W18Cr4V经不同温度淬火—回火的硬度试样一套。
3)W18Cr4V经不同温度回火的硬度试样一套。
四、实验内容
观察分析工具钢不同温度淬火-回火下的显微组织,见表1。观察分析高速钢不同温度淬火下的显微组织,见表2。
硬度测试:不同淬火温度的W18Cr4V试样,相同淬火温度不同回火温度
的W18Cr4V试样。将试验结果填空入表3和表4。
表1工具钢不同热处理工艺制度下的显微组织
序号 材料名称 处理工艺 显微组织 浸蚀剂 2 9CrSi 淬火+回火 回火马氏体+颗粒状碳化物渗碳体 3%硝酸酒精溶液 3 W18Cr4V 铸态 共晶莱氏体+黑色组织
+马氏体+残余奥氏体 3%硝酸酒精溶液 4 退火 索氏体+碳化物 3%硝酸酒精溶液 5 1280℃淬火 (60 ~70%)马氏体+(25 ~30%)奥氏体(残余2 ~3%)+10%未溶碳化物 30%硝酸酒精溶液 6 1280℃淬火560℃回火三次 回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体 3%硝酸酒精溶液 7 Cr12MoV 退火 索氏体+碳化物 3%硝酸酒精溶液 8 淬火+回火 隐晶马氏体+碳化物 3%硝酸酒精溶液
表2 W18Cr4V高速钢不同温度淬火后的金相试样
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