（材料加工工程专业论文）sks51钢脱碳及热处理研究.pdf

武汉科技大学硕士毕业论文第1 页 摘要 脱碳层深度的控制以及热处理工艺的制定对于钢的性能的影响是巨大的。本 文以珠钢生产的合金工具钢s k s 5 1 为实验材料，在实验室中通过采用金相组织 分析及硬度分析等方法，重点分析了加热温度及加热时问对于s k s 5 1 钢脱碳的 影响。对实验数据进行回归分析，得出了脱碳层深度与加热温度及加热时间的关 系。另外，本文还通过对比分析经过不同的热处理工艺后的钢的组织与性能，选 择了合理的热处理工艺制度，并结合国际最新的共焦激光扫面显微镜，对s k s 5 1 钢的奥氏体化进行了原位动态观察，建立了其奥氏体晶粒长大动力学曲线。 关键词：脱碳；热处理；奥氏体晶粒长大 第工工页武汉科技大学硕士毕业论文 a b s t r a c t i t 、o u l dm a ：k ee n o 眦o u si n n u e n c eo ns t e e lp r o p e r t i e st oc o n t r o ld e c a r b u r i z e d 1 a y e ra r l df o n n l 】l a t et 1 1 eh e a t 缸。e a t r i l e n tp m c e s s u s i n ga l l o yt 0 0 1s t e e ls k s 51p r o d l l c e d b yz h 吗i a n gh d na i l ds t e e lc o 1 p a n ya st 1 1 er o u 曲m a t e r i a l t 1 1 i sp 印e rf o c u s e so nm e i i l f l u e n c eo fh e a t i n gt e m p e r a ：t u r ea i l dh e a t i i l g 缸eo nd e c 孙嘶z a t i o no fs t e e ls k s 51 t 1 1 r d u 曲m e t a l l o 铲印1 1 i ca n a 】y s i sa i l dh a r d n e s sa n a l y s i si nl a b w ec a i la c q u i r et h e r e l a t i o n s l l i pb e 铆e e n l ed e c m u r i z a t i o nd e p 血a n dh e a t i i l gt e m p e r a t u r ea n dh e a t i n g t i m eb ya l l a l y z i i l ga i l dr e g r e s s i i l gt e s td a _ t a h la d d i t i o n ，w ef i n a l l yc h o o s eap r o p e r h e a t 仃e a 衄e n tp r o c e s ss y s t e = mb yc o i n p 弛gt l l em i c r o s 蜘j c t i l r e 锄dp r o p e r t i e so fs t e e l m e rd i f - f e r e n th e a t 仃e a t i n e n tp r o c e s s e s t h ea u s t e n m cp r o c e s s i o no fs t e e ls k s 51h a s b e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gac o n f o c a ls c a 彻血gl a s e rm i c r o s c o p e ( c s l m ) a n dm e a u s t e n i t i c 田越ng r o w t hc u r v e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dt o o k e yw o r d s ：d e c 小丽z a t i o n ；h e a t 仃e a 缸n e n t ；a u s t e n 主t i c 孕妇g r o w 吐1 武汉科技大学硕士毕业论文第1 页 第一章绪论 1 1 工具钢概况 1 1 1 工具钢的发展概况 随着社会的发展，工具对于人类的生活和生产都起到了非常重要的作用，它 已经与人类的日常生活息息相关。例如，生活中用的剪刀，锯子等等小的物品都 是从工具钢而来。与其它材料相比而言，钢铁材料的性能在强度、硬度等方面都 要好的多，用钢铁制成的工具大大的提高了人类的劳动生产效率。 碳素工具钢的出现是在十八世纪中后期。当时人们发现钢中碳元素含量的增 加对于钢的硬度有明显的提高，于是将这种材料大量生产，制成了工具和弹簧等。 随后电弧炉的出现，人们得以将钢中碳含量进一步的提高，生产出了优质的高碳 钢，并把它制作成为各种工具，这样碳素工具钢就出现了。 后来，随着英国第一次工业革命的发生，蒸汽机出现在人类的生活当中，机 器制造开始取代手工制作。由于机器制造比手工制作的要求要高的很多，碳素工 具钢已经不能完全满足机器制造的要求。于是，人们便在高碳钢中加入了锰、钨 等一些合金元素，大大提高了钢的强度和耐磨性。这样合金工具钢在1 9 世纪中 期开始问世，并在随后大量的应用于国民生产。到了2 0 世纪初期，人们开始尝 试将各种合金元素加入钢中，发明出了各种合金工具钢。例如在钢中加入铬元素 和钨元素，就形成了铬钨系列合金工具钢。如果进一步提高铬元素含量到1 2 ， 便可以形成耐磨型冷作模具钢。2 0 世纪3 0 年代，人们进一步研究出红硬性更好 的一系列的热作模具钢，如钨系热作模具钢以及铬钼系热作模具钢等。随着钢 铁行业及工业的发展，美国研制出v a s c 0 m a c v m 、m a ：t r i x i ic 讧型等基体 钢，并且随后推出了塑料用模具钢。 1 9 世纪中期后，机床切削加工工业发展迅速，由于被切削材料的多样化， 切削速度的不断提高，这样就促进了高速工具钢的产生与发展。高速工具钢作为 切削工具，要求具有良好的红硬性、非常高的硬度以及耐磨性要好。最初发现的 是含钨高碳钢具有这样的性能，随后人们调整碳钨含量，最后形成了w 1 8 c r 4 v 通用的高速工具钢牌号。值得一提的是，随着近代科学技术的革新，人们先后还 开发出硬质合金、氮化硅氧化铝、金刚石等多种刀具材料。 工业生产对于模具、刃具、量具的消耗是很大的，它们标志着现代机械制造 业的发展水平。特别是模具钢，已经成为工业产品的重要成形工具，全世界8 0 左右的家电行业所用零件以及7 0 左右机电行业所用的零件都是用模具成形而 来。包括一些兵器、宇航等高端科技领域，都广泛的使用了工具用钢。这些都对 工具钢今后的继续开发研究提出了更高的要求。 第2 页武汉科技大学硕士毕业论文 1 1 2 工具钢的分类及牌号表示方法 根据中国钢铁材料手册所述，工具钢一般可分为碳素工具钢、合金工具 钢和高速工具钢三类【l j 。 1 1 2 1 碳素工具钢 根据手册所述，碳素工具钢的组织属于高碳的亚共析、共析或者过共析钢， 它的碳含量( 质量分数) 在o 7 1 3 之间。其硬度主要与碳含量有关，随着碳含 量的升高，钢的硬度强度逐渐升高。另外碳含量对钢的硬度也有直接影响，亚共 析钢强度随着碳含量增加而提高，在含碳量达到0 6 0 o 7 0 时，其强度达到 最大值，随后强度随着碳含量的增加而降低，到接近共析钢成分时强度最低，当 含碳量进一步增加时( 成为过共析钢) ，钢的强度又随着碳含量的增加而提高直 至含碳量达到1 1 5 ，之后强度便再次降低。碳素工具钢经热处理后表面可以获 得较高的硬度和耐磨性，心部有较好的韧性，但是红硬性和淬透性较差。当工作 温度高于2 5 0 时，钢的硬度和耐磨性便急剧下降。这类钢的淬透性也较差，对 于那些较大的工具不能淬透，在水淬时表面淬硬层与中心部分硬度相差较大，这 样会使得工具在淬火时候形成裂纹。为了提高其淬透性，部分钢种在钢中加入少 量的锰，可以改善钢的淬透性。碳素工具钢一般用于制造切削速度一般，且加工 硬度和强度不高的材料的工具，以退火状态交货。一般应检验硬度，高倍、低倍 和端口组织以及表面脱碳层深度等。 碳素工具钢通常按照其用途可以分为：模具钢、刃具钢、量具钢、耐磨钢； 按照钢质( 钢中硫磷含量) 还可以分为：优质钢( s 三o 0 3 0 ，p 耋0 0 3 5 ) 以及 高级优质钢( s 姜0 0 2 0 ，p 三0 0 2 5 ) 。 不同的国家对于碳素工具钢的牌号表示都不相同，国际i s o 标准牌号是前 缀字母为c ，中间的数字表示平均碳含量( 万分之几) ，后缀字母为u ，如c 1 0 5 u 。 美国采用a s 刑标准，碳素工具钢牌号由表示类别的字母w ( 水淬工具钢) 和 顺序数字组成，如w 3 。日本采用j i s 标准，碳素工具钢牌号由字母s k 和数字 表示，如果还需要表示产品的形态和热处理状态等，则在牌号后面附加相应的符 号即可。德国采用d i n 标准，碳素工具钢牌号由字母c 和数字加字母w 和数字 组成，即c 车w 车，字母c 后面的数字代表的是平价碳含量( 万分之几) ，字母 w 后面的数字代表钢种质量级别。我国采用g b 标准，按照规定，采用字母t 和数字表示，数字代表平均碳含量( 千分之几) 。如果该钢种含有较高含量的锰， 则在表示碳含量的数字末尾加m n ，如t 8 m n ；对于高级优质碳素工具钢，则在 尾部加字母a 予以区别，如t 1 2 a 。 武汉科技大学硕士毕业论文第3 页 1 1 2 2 合金工具钢 合金工具钢包括中、高碳合金钢。这类钢碳含量较高，并且有多种合金元素 对钢进行强化，如铬、钼、钨、钒等。这些合金元素可以形成许多碳化物，从而 使合金工具钢具有很高的硬度( 淬火后硬度一般在m 6 0 以上) 并且有一定的 韧性，一些合金元素的加入还可以使钢种具有良好的耐磨性、红硬性、一定的耐 冲击性，以及良好的淬透性、组织稳定性、比较小的热处理变形等性能。由于各 种性能良好，合金工具钢一般用于制造大截面、特殊形状以及一些复杂的量具、 刃具、耐冲击工具和一些特殊用途的工具。由于合金工具钢的化学成分相对比较 复杂，各种合金元素较多，制成工具的工作条件苛刻，所以对其表面质量和内部 质量要求十分严格。钢材一般都要退火后交货，并检验高低倍金相组织、脱碳层 深度、网状碳化物情况以及珠光体组织等等。 合金工具钢按照用途可以分三类：刃具钢、量具钢以及模具钢。模具钢又可 分为冷、热作模具钢和塑料模具钢。 刃具钢在工作条件下会产生比较强烈的磨损，比较高的局部温度，以及震动 和承受一定的冲击负荷。这要求刃具用钢具有相当高的硬度、耐磨性、红硬性和 很好的韧性。这类钢的碳化物含量比较高( 一般在0 8 0 1 4 5 ) ，从而形成 较多的合金碳化物，保证硬度符合要求。铬是刃具钢主要的合金元素，有的钢也 会加入一定量的钨和锰。 模具一般可分为冷、热作模具和塑料模具，用于锻造、冲压、压铸等。各种 模具用途不同，工作条件不同，对模具钢的性能要求也不同。冷作模具钢除了要 求高的硬度、强度、耐磨性，好的韧性之外，还要求具有高的淬硬性、淬透性和 其他一些工艺性能。热作模具钢在工作中除了要承受大的机械应力外，还要反复 受热和冷却，引起很大的热应力。这就要求钢种在满足了硬度、强度、耐磨性、 红硬性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性， 以及较高的淬透性。塑料模具用钢在除了上述的一些工艺性能要求外，还应具有 好的加工性能、热处理变形小、研磨和抛光性能好和工作条件下尺寸和形状稳定 等。 量具应具有良好的尺寸稳定性、高耐磨性、高硬度和一定的韧性。所以量具 用钢一般加入一些铬、锰、钨、钼等合金元素来满足该钢种的性能要求。 合金工具钢因为含有较多的合金元素，牌号表示一般比较复杂。我们国家按 照g b 规定，合金工具钢牌号采用合金元素符号和阿拉伯数字表示。碳元素质量 分数一般不标出，平均合金元素质量分数如果小于1 5 0 时，仅标明元素；平均 合金元素质量分数为1 5 0 2 4 9 、2 5 0 3 4 9 时，相应写成2 、3 。另 外，低铬合金工具钢( 平均铬质量分数小于1 ) ，其铬的质量分数用千分之几 第4 页武汉科技大学硕士毕业论文 计，在质量分数数字前加0 ，如c r 0 6 。日本j i s 标准中合金工具钢牌号分三类， 分别是s k s 、s k d 以及s k t ，其后加数字序号，例如本论文采用的实验用钢就 是s k s 5 1 。 1 1 2 3 高速工具钢 高速工具钢主要用于制造高效率的切削类工具，也会用于一些性能要求高的 轧辊、轴承和弹簧用钢。经热处理后的高速工具钢硬度可以达到h r c 6 3 以上， 并且在6 0 0 的高温环境下也能保持很高的硬度、韧性及耐磨性。尤其是退火后 的高速工具钢，还具有非常好的机械加工性能，可用于制造各种形状的精密工具。 高速工具钢主要添加钨、铝、铬、钒、钴、铝等合金元素，形成含有大量碳化物 的高碳高合金莱氏体组织。二次硬化( 淬火硬度提升为一次硬化，淬火后在3 5 0 以上回火时硬度提升甚至超过淬火硬度，此为二次硬化) ，是高速工具钢的重要 特性。特别是钨、铝元素，对钢的二次硬化起非常重要的作用，而加入一定量的 铝可改善钢的切削性能。高速工具钢钢材一般要检验硬度、共晶碳化物不均匀度、 脱碳层深度、断口组织及大颗粒碳化物等。 高速工具钢的牌号表示和合金工具钢基本相似。根据g b 规定，其钢牌号采 用合金元素加数字组成。碳含量数字不标出，但是平均碳含量如果较高时，可以 在牌号前冠以字母c 。平均合金元素质量分数如果小于1 5 0 时，仅标明元素； 平均合金元素质量分数为1 5 0 2 4 9 、2 5 0 3 4 9 时，相应写成2 、3 。 日本j i s 标准中高速工具钢牌号采用s k h 和数字序号组成，数字序号用以区分 钨系和钼系高速工具钢，序号2 、3 、4 、1 0 为钨系，序号4 0 和5 0 5 9 为钼系。 1 1 3 国内外工具钢生产状况 工具钢的生产在我国还处于比较传统的生产方式，主要采用电弧炉冶炼，然 后用模铸成钢锭再用热轧或锻制方法制造出来。国内只有少数一些钢厂在某些钢 种采用连铸生产。而国外，尤其是发达国家，已经普遍采用连铸连轧来进行生产， 而且国外的工具产品也已经转移到钢厂来生产。 产量方面，目前我国碳素工具钢产量约占钢产量的0 5 0 8 ：合金工具 钢在1 9 9 9 年产量约为2 9 万吨，有逐年增长趋势；高速工具钢年平均产量在3 万吨左右，在1 9 9 9 年到达7 4 万吨。在工业发达国家，合金工具钢的产量要占 钢总产量的0 1 左右，以模具钢为主。我国现在大量生产的合金工具钢有： 3 c r 2 w 8 v 、5 c r n i m o 、5 c r l 协n 讧o 、c r l 2 、9 s i c r 等。这些钢的性能水平还处于 2 0 世纪5 0 年代的水平，高效的高品质钢种开发生产太少。另外棒材约占合金工 具钢产量的9 0 ，而扁钢、板材、模块等型钢类产量太少，影响了模具的制造周 期，增加了生产成本。在模具发展迅速的今天，我国合金工具钢的技术、设备、 生产都相对落后。国外采用各种精炼工艺以提高合金工具钢的纯净度，像日本， 武汉科技大学硕士毕业论文第5 页 美国等国家已经将钢中的硫和磷含量降到了o 0 1 以下，不仅提高了钢的冲击韧 性，还改善了钢的热疲劳性能，增加了合金工具钢的使用寿命。相比起来，我国 工具钢的发展任重而道远，在品种规格多样化，提高钢的综合性能方面亟需改善。 1 2 合金工具钢s i ( s 5 1 的应用 合金工具钢s k s 5 1 是日本开发生产出来的一个牌号，现在在我国特殊钢钢 厂都有开始生产。合金工具钢s k s 5 1 具有高的硬度、韧性和耐磨性，主要应用 于高端高等级合金工具制造，包括高精度圆锯片、特种工具刃具和特殊弹簧领 域。 例如用于型材和棒材的切割的金属冷热切圆锯片，切割温度在2 0 0 9 0 0 ， 规格直径7 6 0 1 2 0 0 r i u n 。对比传统工具，合金工具钢锯片在加工质量、使用 寿命、 加工效率等方面都成倍的提高，表现出高效、低耗、安全的特点。在 市场销售方面，这两年欧美市场增长较快。这种锯片都采用锯齿形式，采用先 进的热处理工艺，对s k s 5 1 进行处理，靠激光切割完成齿部加工，齿尖保证有 良好的硬度和耐磨性。 合金工具钢s k s 5 1 还可以用于超薄型锯片基体。超薄型锯片主要用于加工 石材、玻璃、陶瓷等建筑材料，这些材料的一个重要特点是易碎，因此要求用来 加工的锯片尽可能的薄，而且机械加工精度要好。s k s 5 1 在经过系列热处理后可 以满足要求。 1 3 合金工具钢的热处理 钢的热处理时将固态钢按照预先设定的制度，以一定的速度加热到某个温度 保温一定时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺【2 3 】。热处理的 实质是钢在不同加热、冷却方式下的组织变化。合金工具钢热处理的目的是为了 在一定成分的钢中获得所期望的组织形态，从而保证工具在加工运作时候，具有 良好的机械性能和物理性能。好的热处理工艺能够大幅度延长工具的使用寿命； 可以消除铸造、锻压、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷；可以细化组织晶粒， 消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀；此外，通过特殊的热处理 还可以使工具表面具有抗磨性、耐蚀性等特殊的物理化学性质。热处理对于合金 工具钢的经济性有着决定性的意义，因此在热处理工艺制度制定方面一定要严 谨。 一般合金工具钢的热处理方式有一下几种：奥氏体化、退火、正火、淬火、 回火。 1 3 1 奥氏体化 根据铁碳相图，在不同温度下，钢的组织形态都不同。通常把钢加热到奥氏 体的转变过程称为“奥氏体化”【4 】。奥氏体化实质就是钢由珠光体( 或贝氏体等) 第6 页武汉科技大学硕士毕业论文 向奥氏体转变的过程，加热温度在a l 点以上，当超过a 3 或a 咖以上便发生全部 转变。奥氏体化的过程是伴随着晶格的重组，通过扩散来完成。由含碳0 0 2 5 的铁素体和含碳6 6 7 的渗碳体形成含碳0 8 的单相固溶体奥氏体。 奥氏体化要经历奥氏体的形核、奥氏体的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体 成分均匀化四个过程 5 1 。奥氏体的形成是以形核与长大的方式逐渐形成的。转变 开始时，首先在铁素体和渗碳体的晶界上形成新相的晶核，随之不断长大而成为 稳定的晶核。这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度相差极大，原子排列不规 则，极易产生浓度起伏和结构起伏区，为奥氏体形核创造了有利条件。奥氏体晶 核形成以后便开始长大。奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在奥氏体和铁 素体中的扩散和铁素体向奥氏体转变而进行的。转变中，由于铁素体与奥氏体界 面上的浓度差要远远小于渗碳体与奥氏体相界面的浓度差，使得铁素体向奥氏体 转变的速度要比渗碳体溶解的速度快的很多。所以，在加热过程中，珠光体中总 是铁素体先消失。当铁素体消失后，继续加热或保温时，碳在奥氏体中进一步扩 散，使得剩余的渗碳体也不断溶解到奥氏体中。如果加热或保温时间足够长，碳 原子可以充分扩散，才能获得成分均匀的奥氏体。 对于合金工具钢，其奥氏体化进程不仅受到含碳量的影响，合金元素对合金 工具钢的奥氏体化也产生重要影响。非碳化物形成元素钴、镍，可以提高碳在奥 氏体中的扩散速度，加快了奥氏体形成速度。而铬、钼、钨、钒等碳化物形成元 素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，大大减慢了奥氏体的形成速度。而且在合 金钢中除了碳的均匀化之外，还有一个合金元素均匀化的过程，所以在相同条件 下，在制定合金工具钢的加热工艺时，与碳钢相比，加热温度要高，加热时间要 长。 钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的 组织和性能有重要的影响。一般来讲，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越 高，韧性越好。所以生产中一般采用快速加热短时保温的工艺来取得超细化晶粒。 1 3 2 退火和正火 退火和正火是生产中常用的预备热处理工艺。退火是将钢加热至a c l 以上或 以下温度，保温以后随炉冷却以获得近乎平衡态组织的热处理工艺。其主要母的 是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改 善钢的成形及切削性能，并为下一步热处理做好组织上的准备。退火工艺有很多 种，根据加热温度的不同，可分为完全退火、均匀化退火、不完全退火、球化退 火、再结晶退火和去应力退火【l 圳。 工具钢的退火温度一般在a l 温度范围内，在某些情况也可低于a 1 温度1 0 5 0 。碳素工具钢和低合金钢的加热保温时间相对较低为2 3 小时，高合金钢 武汉科技大学硕士毕业论文第7 页 因其合金元素的减慢奥氏体速度，其保温时间约为4 5 小时。这种普通退火由 于加热温度没有达到奥氏体区，所以在冷却过程中不发生相变。钢的晶粒尺寸没 有发生变化，仅仅是渗碳体变成粒状的，形成球化渗碳体。对于那些难形成球化 渗碳体的工具钢( 如t 11 、t 1 3 ) ，一般会采用循环退火。工具加热2 个小时到略高 于a l 温度，然后冷却2 0 3 0 ，之后再升到氏1 温度以上，然后过冷到略低于 心l 的温度，这样反复几次，可以使难于球化的网状碳化物球化。过共析钢中碳 和合金元素的含量越高，循环退火的温度就越高。 完全退火是将钢加热到相当于奥氏体区的温度，使组织完全奥氏体化，然后 缓慢冷却下来。完全退火的温度一般为a 3 + ( 3 0 5 0 ) 。完全退火后根据原始 组织的不同可以形成纯珠光体、铁素体珠光体、渗碳体珠光体组织。高速钢或 含钨量高的工具钢在二次淬火之间必须经过充分的完全退火，以避免粗大晶粒出 现。 球化退火是合金工具钢常用的一种热处理工艺。珠光体球化后可以降低硬 度，均匀组织，改善切削加工性，更好的为淬火做组织准备【6 d 1 1 。球化退火的关 键在于加热奥氏体中要保留大量的未溶碳化物。为此，球化退火加热温度一般在 a c l 以上2 0 3 0 左右不高的温度下，保温时间也不能太长，并且冷却方式采用 随炉冷却【1 3 。2 1 】。目前生产上采用比较多的是等温球化退火工艺，等温退火的好处 在于可以使钢在比较短的时间内形成均匀的组织，这样形成的组织要比平衡条件 下更细些，球状碳化物颗粒更小分布更均匀，从而使工具综合性能更好【_ 卜9 1 。 正火的目的主要是消除热加工造成的组织粗大或者不均匀，减小奥氏体晶粒 尺寸。正火一般是将钢加热到a c 3 或a c 锄以上适当温度，保温一定时间后空冷 到室温得到珠光体类组织。对于亚共析钢，正火温度与完全退火温度相近，但是 正火的冷却速度要快，得到的珠光体组织要细，钢的硬度强度要高。因此正火不 仅可以作为预备热处理，还可以直接作为最终热处理，为某些受力小、性能要求 不高的碳素结构零件提供合适的力学性能。 1 3 3 淬火与回火 淬火与回火时钢进行热处理非常重要的工序【l 。3 1 。通过淬火可以将珠光体转 变为马氏体，可以显著的提高钢的硬度和强度。但是淬火后钢中会存在残余应力， 这样很容易造成钢的开裂和裂纹，对钢的性能有很大的影响。而且钢淬火后硬度 强度虽然显著增高，但是塑性较差，不利于工件的加工处理，因此在淬火工艺后 一般要紧接着不同的回火处理。只有确定了合理的淬火、回火工艺，工件才能得 到理想的组织，拥有良好的性能。 第8 页武汉科技大学硕士毕业论文 1 3 3 1 钢的淬火 将钢加热到临界点a c 3 或a c l 以上一定温度，保温一定时间后以大于临界冷 却速度的速度冷却得到马氏体( 或下贝氏体) 组织的热处理工艺叫做淬火【5 j 。淬 火的目的在于使工件整个截面获得尽可能高的硬度，也就是获得马氏体组织，增 加钢的硬度强度，再配合相应的回火处理，获得各种需要的性能。 为了实现淬火的目的，钢在加热到临界温度以上保温一定时间后，必须以极 大的冷却速度冷却到m s 点温度以下，使奥氏体来不及扩散转变，而直接发生非 扩散的马氏体转变。对于淬火过程而言，什么样的奥氏体化温度，多久的保温时 间，采用什么样的冷却介质，这些都是获得良好马氏体组织的重要因素。 奥氏体化的温度、时间和淬火前奥氏体化的条件不仅取决于钢的成分，而且 还与淬火的目的有关。一般情况，淬火加热温度的选择是以得到均匀细小的奥氏 体晶粒为原则的，这样在淬火处理后可以获得细小的马氏体组织。从一些实践中 的数据来看，亚共析钢的淬火温度一般取a c 3 + ( 3 0 7 0 ) ；共析钢和过共析 钢则取a c l + ( 3 0 7 0 ) o c 1 ，到。亚共析钢的淬火温度若在a c i 到a c 3 之间，淬火 组织中除了马氏体外，还会保留一些铁素体组织，这样会降低钢的强度和硬度。 但是亚共析钢的淬火温度也不能高过a c 3 太多，否则会形成粗大的奥氏体晶粒， 从而使淬火后得到粗大的马氏体。对于低碳钢、低碳低合金钢，如果采用加热温 度略低于a c 3 点的亚温淬火，可以获得铁素体加马氏体的双相组织，既可以保证 钢的一定强度硬度，又可以保证钢具备良好的塑性、韧性和冲压性能。过共析钢 的加热温度的选择是为了得到细小的奥氏体晶粒和保留少量渗碳体颗粒，淬火后 得到隐晶马氏体和均匀分布其上的粒状碳化物，从而使钢具有更高的强度、硬度 和耐磨性，同时也有较好的韧性。对于合金工具钢，特别是高合金工具钢，淬火 前的加热温度都远高于a c l ，而接近a c m 点，这是因为合金碳化物很难溶于奥 氏体中，为保证奥氏体具有尽可能高的合金浓度，加热温度必须要高。 钢从奥氏体状态冷却至m s 点以下所用的冷却介质叫淬火介质。介质冷却能 力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界冷却速度，则工件越容易淬硬， 淬硬层越深。但是冷却速度过大将会产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形 或开裂。因此，理想的淬火介质应该是在6 0 0 以上缓冷，其后快冷，这样可以 避免淬火热应力。常用的淬火介质有水、盐水、碱水以及各种矿物油等。 淬火的方法有很多种，常用的有单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法以及 等温淬火法等。 在淬火处理中还会提到一个“淬透性”的概念，淬透性是指钢在淬火时获得马 氏体的能力。一般是以淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。通常用末端淬 火法来测定钢的淬透性。采用末端淬火法来测定淬透性，首先要采用 武汉科技大学硕士毕业论文第9 页 西2 5 m m 10 0 i m 的标准试样，试验时将试样加热至规定温度奥氏体化后，迅速 放入实验装置中喷水冷却。显然，试样喷水末端冷却速度最大，随着距末端距离 的增加，冷却速度原来越小。当采用统一的冷却条件，试样经处理可以获得硬度 与末端距离的关系曲线，这就是钢的淬透性曲线。钢的淬透性在生产中有重要的 实际意义，工件在整体淬火条件下，从表面到中心是否淬透，对其力学性能有重 要影响。在拉压、弯曲或者剪切载荷下工作的零件，如各类齿轮、轴类零件，希 望整个截面都能淬透，从而保证这些零件在整个截面上获得均匀的力学性能。 1 3 3 2 钢的回火 回火是紧接着淬火的一种热处理操作。也往往是零件在整个热处理生产过程 中的最后一道工序，一般都是通过控制回火操作的工艺参数使零件获得所需要的 性能，因此回火操作的正确与否对工件的使用寿命及性能有着决定性的作用。回 火的目的主要是减少或者消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和 塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工具的性能需 求。 钢件在淬火后得到马氏体或者马氏体加残余奥氏体组织。马氏体与残余奥氏 体在钢的临界点以下的温度都是亚稳相。根据热力学条件，它们具有转变到稳定 相( 铁素体及奥氏体) 的倾向。在这温度范围内加热时，马氏体及奥氏体都将分 解或者转变。这些过程的进行程度随着钢的成分、淬火后的组织、所选的回火工 艺参数而异。随着回火温度的不断升高，回火时间的不断延长，最终将转变成铁 素体及碳化物的复相组织【l 引。 ( 1 ) 回火工艺 回火温度决定着钢的回火后组织性能等因素。通常根据回火后试样的组织形 貌以及性能将回火分为三类，即低温回火、中温回火和高温回火【1 2 】。根据实际 生产经验，将1 5 0 2 5 0 的回火处理称为低温回火，2 5 0 4 5 0 的回火处 理称为中温回火，4 5 0 6 5 0 的回火处理称为高温回火。三类回火的温度范围 只是适应于一般钢种，对于合金钢等一些特殊钢种，由于合金元素的影响，会提 高钢的回火抗力，因此回火的温度会高些。 钢淬火后在经过低温回火处理时马氏体会发生分解，析出碳化物而变成回 火马氏体。经低温回火后，钢在淬火过程中产生的残余内应力基本可以消除，但 是马氏体组织基本保持不变，因此低温回火可以在不降低钢的硬度强度的同时显 著的改善钢的塑性韧性。这对于要求高硬度、高耐磨性以及适当韧性的应用场合 时非常合适的。因此，凡是由高碳的中低合金钢制成的工、模、量具和滚珠轴承 等均采用低温回火。由于低碳马氏体本身就具有较好的塑性、韧性和较高的强度， 所以低碳钢或者低碳合金钢也可以经淬火、低温回火来代替中碳钢制造某些结构 第l o 页武汉科技大学硕士毕业论文 零件。工、模具的回火温度一般取2 0 0 左右，轴承零件的回火一般取1 6 0 左 右，低碳钢的回火一般也在2 0 0 以下。至于量具，除了硬度和耐磨性以外，还 要有良好的尺寸稳定性，而这又与回火组织中未分解的残余奥氏体及内应力有 关。因此在低温回火前，往往增加冷处理工序，以清除内应力和稳定残余奥氏体。 低合金超高强度钢的最终热处理也是淬火后低温回火，这类钢中所含的硅，能使 钢的低温回火性能显著提高，将马氏体回火脆性区向高温方向移动，使钢得以在 较高温度回火( 2 5 0 到3 0 0 ) ，从而改善了其塑性、韧性以及缺口敏感性。 中温回火后所得到的组织主要为回火托氏体。根据实际经验和一些钢种的试 验可以知道，钢的弹性极限在2 0 0 到4 0 0 范围内可以出现峰值。高于或者低 于这个范围内回火，弹性极限则很低。高温回火后弹性极限低的原因是因为钢的 强度太低，低温回火后弹性极限低的原因是其内应力太大。据分析，残余奥氏体 在2 0 0 以上温度回火将发生转变，也可能是提高弹性极限的一个原因。因此可 见，中温回火主要用于各种弹簧钢，从而使钢获得最大的弹性极限。碳素弹簧钢 的回火取此温度范围的下限，例如6 5 钢在3 8 0 回火；合金弹簧钢的回火取此 范围的上限，例如5 5 s i 2 钢在4 8 0 回火，因为合金元素提高了钢的回火抗力。 碳钢中温回火后的组织中，渗碳体颗粒开始发生粗化和球化，但是其尺寸仍很小， 无法再光学显微镜下分辨，这种组织叫做回火托( 屈) 氏体。 高温回火后的组织主要是回火索氏体，它是在铁素体基体上均匀分布的粒状 的渗碳体组织。习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称为调制处 理。经过调制处理后的钢其硬度较高，塑性、韧性很好，因此高温回火广泛的应 用于那些要求具有良好综合力学性能的结构零件，例如汽车的轮机转子、压气机 盘、汽车曲轴等。对于具有二次硬化作用的高合金钢，往往采用高温回火获得高 的硬度、耐磨性和红硬性。高速钢是其中的典型。但是采用这种高温回火时有两 点必须注意：1 、必须与恰当的淬火相配合才能得到满意的结果。例如g r l 2 钢， 如果在9 8 0 淬火，由于许多碳化物未能溶入奥氏体中，使其合金元素和含碳量 较低，淬火后的硬度虽高，但是高温回火后，硬度反而下降。如果将淬火温度提 高到1 0 8 0 ，使奥氏体中的合金元素和碳含量大增，淬火后由于出现大量参与 奥氏体，虽其硬度较低，但是二次硬化效果却十分显著；2 、高温回火后还必须 至少在相同温度或较低温度再回火一次。这是由于高温回火后，部分残余奥氏体 会发生二次淬火，形成新的淬火马氏体。而未经回火的马氏体是不允许直接使用 的( 除非是低碳马氏体) 。例如高速钢通常要在5 6 0 回火三次，国外的工厂甚 至在三次回火后还加一次2 0 0 的低温回火，以消除任何可能出现的未回火马氏 体。 武汉科技大学硕士毕业论文第l l 页 在实际生产中，往往是根据现有的技术文件和标准来选择回火温度，但是仅 靠手册和技术文件还是不够的，尤其是对于高碳合金钢。 回火钢的性能是回火温度和回火时间的函数【1 2 】。回火时间同回火温度都会 回火钢的性能产生巨大的影响。在4 0 年代时候，h o l l o m o n 等人在触n 1 1 i u s 公 式的基础上，导出了回火钢的硬度( h ) 与回火温度( t ) 和回火时间( t ) 的函 数关系吲，即 日= 厂p 伍+ l o g f ) 】 公式( 1 1 ) 式子中，陋一回火钢的硬度； 卜回火温度( k ) ： 卜回火时间( h ) ： k 常数。 以上介绍的是确定回火时间的基本准则，其前提必须保证工件完全烧透，目 前还未能掌握均温时间的测试技术，因此即使确定了回火时间，在生产实际中也 很难进行精准的控制。目前在生产中，回火加热时间一般都是根据工件的有效截 面厚度而定。现摘录其中的一种计算数据，列于表1 1 。 表1 1 回火时间参考表 加热设备碳钢合金钢 盐炉1 2 1 5 m i n 如m1 8 2 0 m i n m m 电炉 1 5 2 0 m i n ，】如2 o 2 5 m i i l m m ( 2 ) 合金元素对回火转变的影响 合金元素对钢的回火转变，以及对回火后的组织和性能，都有着很大的影响。 这种影响可以归纳为四个方面：1 、合金元素延缓钢的软化，或者说是提高钢的 回火稳定性；2 、合金元素引起的二次淬火现象；3 、合金元素的二次硬化作用； 4 、合金元素影响钢的回火脆性。 淬火钢在回火过程中，随着回火温度的升高，强度和硬度不断下降。但是不 同的钢种下降的快慢程度不同，我们用回火稳定性，回火抗力或回火软化能力来 进行描述。合金元素一般都提高钢的回火稳定性。但是不同的合金元素对回火稳 定性的影响却不相同。强碳化物形成元素，如q 、m o 、w 、v 、t i 等，与碳的 结合力与铁相比，前者较强，增大了碳原子在马氏体中扩散的激活能，减慢了马 氏体的分解速度。在合金钢中，当含有某些合金元素如m o 、s i 等时，还可 以阻碍钢在回火时各类畸变消除的作用，而且会推迟淬火钢伍相的回复、再结晶 和碳化物聚集过程，从而抑制了钢的强度、硬度的降低，提高了钢的回火稳定性 【1 3 1 第1 2 页武汉科技大学硕士毕业论文 当淬火钢中存在残余奥氏体的时候，合金元素g r 、m o 、w 、n i 、m n 等对 残余奥氏体的分解也有影响。它们可以提高残余奥氏体的分解温度，致使残余奥 氏体在回火阶段没有分解，而在随后的冷却过程发生马氏体转变，引起二次淬火 现象5 1 。 合金元素引起的二次硬化现象实际上是一种共格析出的合金碳化物( 如v c 、 t i c 、m 0 2 c 等) 的弥散强化，合金碳化物越稳定越细小，强化效果就越明显。 当将一定成分的淬火钢在3 5 0 5 0 0 回火较长实际或慢冷通过这个区域 时候，钢的韧性下降，出现脆性，这种现象称为回火脆性。根据研究表明，合金 元素是引起回火脆性的最直接的因素。引起回火脆性的元素有g r 、n i 、s i 等，还包括一些杂质元素如p 、s 等都不同程度的促进回火脆性。 1 4 合金工具钢s k s 5 l 的脱碳研究 1 4 1 国内外脱碳研究现状 脱碳对钢件的性能有非常严重的影响，钢件在脱碳后，其硬度、强度显著下 降，寿命减少，因此国内外学者在脱碳方面进行了大量的实验研究【珐5 0 1 。他们从 脱碳的原理出发，研究了脱碳的影响因素，以及减少脱碳的方法，这些研究在实 际生产中得到了很好的验证。 1 4 1 1 碳扩散机理研究 脱碳的本质其实是碳原子的扩散瞄。2 5 】。当加热温度较高时候，钢表面碳原子 与铁原子的结合能力小于碳原子与空气中氧原子的结合能力，于是碳原子发生了 扩散。扩散的前提是温度要达到一定的值，而且钢的表面必须要与空气接触( 后 续研究表明在真空中也会发生脱碳行为) 。目前，国内外对钢脱碳的研究主要集 中在加热炉的部分【2 2 。3 0 】，对其他部分研究相对较少，比如本文所研究的卷曲过程 的脱碳行为，都未有学者进行过深入分析。脱碳的影响因素主要是温度，时间和 气氛，对于脱碳的数学模型的建立，国内外学者都是基于菲克定律以及扩散的热 力学原理进行了一些研究【2 4 ，4 2 1 ，但是还没有成套的体系，没有将所有的对脱碳有 影响的因素建立进其模型中。 1 4 1 2 脱碳层成因研究 在引起脱碳的原因方面的研究，国内外研究都比较早，从2 0 世纪4 0 年代开 始，随着弹簧业的发展，大量的学者就开始集中于钢的脱碳现象的实验研究。大 量的实验研究表明影响脱碳的因素主要是三个方面：加热温度，加热时间以及加 热气刹3 1 捌。当钢坯在加热炉内加热时间过长或者炉内温度过高又或者炉内的氧 化气氛过高都会引起钢坯的表面脱碳现象。当然，温度、时间和炉内气氛都是形 成脱碳的外因，钢种本身的成分也是引起脱碳的一个重要因素。一般情况，中、 高碳钢的脱碳现象较严重，低碳钢相对脱碳较少。另外，河北工业大学的杜文华 武汉科技大学硕士毕业论文第1 3 页 在其导师指导下，研究发现变形率以及缓冷、退火工艺对钢的脱碳都有影响，并 且据此制定了m 2 钢的变形率和缓冷、退火工艺【3 5 1 。除此之外，还有很多学者 对不同的钢种的脱碳现象以及成因进行了大量的研究，但是大都归纳于上述的几 个原因。 1 4 1 3 新工艺的研究 为了改善钢表面的脱碳现象，经过许多学者大量的研究，根据对脱碳成因的 分析研究，提出了新的加热工艺来避免和减少钢的脱碳。由于加热温度、加热时 间和加热气氛是引起钢脱碳的最主要的因素，因此在保证组织的情况下，降低加 热温度，减少加热时间，降低加热炉内的氧化气氛便可以相对减少脱碳的发生。 但是温度和气氛一般是不可更改因素，因此减少脱碳最主要还是减少钢的加热时 间。经过大量的实验研究表明采用感应加热方式可以很好的控制脱碳层的深度。 因为感应加热速度快，能在短时间内使钢的表面和内部上升到很高的温度，这样 就减少了钢的保温均热时间，从而减少了脱碳。另外，还有的学者提出了真空热 处理技术【4 3 ，5 0 1 ，采用真空加热处理钢件，可以显著的控制钢件的脱碳，如果工艺 合理，甚至可以做到不脱碳的效果。但是真空热处理，一方面是成本过高，令一 方面在生产中也不实际，所以还不能够普遍广泛使用。除了上述的工艺外，现在 普遍的用于防止脱碳的热处理工艺是添加保护涂料【4 0 1 ，因为采用这项技术所用 成本较上述的工艺要低。在钢的表面涂上特定的无机涂料，这样就可以防止钢的 氧化及脱碳，其原理是将钢件和空气氧原子隔离，大量研究表明，采用保护涂料 的方法对脱碳的控制非常有效。 1 4 2 加热炉内脱碳机理 由于钢的脱碳主要是发生在加热炉内，所以我们对于脱碳原理的研究重点也 放在钢坯的加热过程，主要分析钢坯的加热工艺对钢的脱碳层深度的影响。那么 脱碳的原理就是首先要研究的内容。 按照对钢脱碳的影响来分，空气中的气体可以分为三类：还原性气体( 如氢 气、一氧化碳、甲烷等) ，氧化性气体( 如氧气、二氧化碳、水蒸气等) ，惰性 气体( 氦气、氩气等) 【4 3 m 】。根据实验研究表明，在这三类气体中还原性气体和 氧化性气体对钢坯在加热过程的脱碳是有很大的影响的，而惰性气体则对脱碳无 任何影响。在加热炉内，钢坯会发生两种反应：一种是脱碳反应，如渗碳体和氧 气反应生成铁素体及一氧化碳；另外一种是氧化反应，如铁素体和氧气反应生成 氧化铁或氧化亚铁。这两种反应是同时发生的，当脱碳反应的速度大于氧化反应 的速度时，钢的表面则会形成脱碳层；反之，则在钢的表面形成氧化铁皮。 第1 4 页武汉科技大学硕士毕业论文 1 4 3 脱碳的影响因素 影响钢脱碳层厚度的主要因素有如下几个：加热温度，加热时间，炉内气氛， 钢的成分。 1 4 3 1 加热温度对脱碳的影响 钢在加热的过程中是同时存在氧化反应和脱碳反应的。只有氧化反应的速度 大于脱碳反应的速度的时候，脱碳层的深度才会随着温度的升高而减少。氧化反 应只有在温度较高的范围内才会反应剧烈，根据大量的实验研究总结，对于一般 的中、高碳钢，脱碳层的深度随着温度的升高会呈先上升后下降的趋势，峰值一 般都在1 0 0 0 以上。 1 4 3 2 加热时间对脱碳层厚度影响 脱碳的本质是碳原子的扩散过程，因此国内外的一些学者根据菲克第二定律 可以推导出脱碳层的深度与加热时间的关系为：x - d t 4 2 】。x 为脱碳层的深度， d 为与材料有关的常数，t 为加热时间。可以看出脱碳层的深度与时间的平方根 呈正比关系，大量的实验和生产中也验证了这个规律。 1 4 3 3 炉内气氛对脱碳层的影响 加热炉内的气氛对钢的脱碳的影响非常巨大。在生产中，加热炉内存在的气 体一般分为两类，一类是氧化性气氛，另外一类是还原性气氛。氧气，二氧化碳 和水蒸气之类的都属于氧化性气氛；氢气、一氧化碳之类属于还原性气氛。在实 际生产中，常采用保证炉内还原性气氛多余氧化性气氛以防止脱碳，但是效果一 般不是特别好。在生产合金工具钢s k s 5 1 时，珠钢采用的是甲醇滴注的方式来 加热，这样大大的减少了s k s 5 1 钢的脱碳行为。 1 4 3 4 钢的成分对脱碳层的影响 钢的成分也是影响脱碳的重要因素。其中碳元素的含量对脱碳的影响最大， 含碳高的钢种，一般脱碳较为明显，而低碳钢的脱碳行为则较轻微。另外，对于 合金工具钢而言，合金元素的种类对钢的脱碳也有很大影响。根据实验研究发现， 一般情况，容易形成碳化物的合金元素的添加对脱碳有一定的抑制作用，这是因 为这类合金可以形成较为稳定的合金碳化物，增强了合金元素与碳原子的亲和 力，阻碍了碳原子的向外扩散。防止脱碳的合金元素有c r 、b 以及稀土元素等。 其中稀土元素阻碍脱碳的原理与c r 、b 不一样，它是在高温时会在钢的表面形 成一层密集的氧化铁皮，从而隔绝了钢中的碳原子和钢表层的气体，从而达到抑 制脱碳的效果【j 圳。 1 4 4 脱碳层深度的测定 国内外有很多种测量脱碳层深度的标准，例如我们国家采用的是g b 2 2 4 7 8 ， 使用显微