成型工艺（铸造、粉末冶金）对 W12Cr4V5Co5高速钢组织性能影响 毕业设计.doc
成型工艺（铸造、粉末冶金）对 W12Cr4V5Co5高速钢组织性能影响 毕业设计
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中期报告题目:成型工艺（铸造、粉末冶金）对W12Cr4V5Co5 高速钢组织性能的影响1 设计（论文）进展状况高速钢属于高碳莱氏体，传统的制造过程是冶炼、铸锭、锻轧。但由于钢液中析出大量的金属碳化物，形成鱼骨状的莱氏体和团块状的粗大共晶碳化物，产生碳化物偏析(图 1)，一次碳化物晶粒尺寸为 212m。硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均与，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利的影响，严重影响使用寿命的进一步提高。20 世纪 60 年代以后又出现了粉末冶金高速钢，是用高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体喷出使之雾化，再急冷而得到粉末，然后将这些粉末在适当的温度和压力同时作用下致密化成钢材，在次过程中避免了发生了重熔和晶粒长大，保持原有粉末颗粒状态的细小结构(图 2)，消除了粗大碳化物和碳化物偏析。不同种钢的韧性和硬度不同，即使是同一种钢，成形工艺的不同，其内部的组织结构也不同，从而导致高速钢韧性和硬度也有很大的差异。图 1 为铸锻高速钢 图 2 为粉末冶金高速钢1.1 化学成分W12Cr4V5Co5的化学成分（表1） ，它的主要元素有碳、钨、铬、钒等元素，各元素在高速钢中的作用各有不同。硅、锰对提高淬透性，减小热处理时的变形量，增加钢的回火稳定性有一定作用。碳一方面必须保证能与V 、Cr 、W 等形成足够的碳化物来提高硬度、耐磨性及红硬性，另一方面还需一定量的碳溶于奥氏体中，以便获得含足够碳量的马氏体，来保证它具有高硬度、高耐磨性和良好的热硬性。含碳量必须与其它合金含量相匹配，过高过低都会对它的性能有不利影响。若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物的不均匀性也增加，导致钢的塑性降低，脆性增加，工艺性能变坏。若含碳量过低，则不能保证形成足够数量的合金碳化物，使高温奥氏体和马氏体中的含碳量减少，导致钢的硬度、耐磨性及热硬性变差。钨主要来提高高速钢的热硬性，对增加钢的淬透性也有一定作用。它与钢中的碳形成钨的碳化物，在淬火加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素的马氏体，有很高的回火稳定性。在回火时一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。而淬火加热时未溶碳化物则阻止奥氏体晶粒长大。钒所形成的碳化物比钨碳化物更为稳定。淬火加热时能显著阻碍奥氏体晶粒长大。当温度超过1200 ，它才开始明显溶解。钒碳化物的硬度远远超过钨碳化物的硬度。其颗粒细小，分布十分均匀，因此钒碳化物对改善钢的硬度，耐磨性和韧性有很大作用。特别是提高钢的耐磨性最有效。在回火时钒以细小的碳化物弥散析出，产生二次硬化而提高热硬性。铬可增加钢的淬透性，并改善耐磨性，提高硬度。表 1 W12Cr4V5Co5 高速钢的化学成分元素 C W V Cr Co Mn Si S P含量 wt% 1.50 12.0 5.0 4.0 5.0 0.3 0.2 0.030 0.0301.2 韧性韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性好的工具钢通常是经久耐用的，可以抵抗各种负载、延伸塑变而不出现开裂和断裂。影响高速钢韧性的因素有钢材的纯净度、夹杂物、碳化物、热处理等因素。1.2.1钢材的纯净度钢材中的杂质元素磷、氧以及白色低熔点元素砷、锑、锡、铅和锌含量高时会导致韧性降低。磷元素有助于提高钢的强度，但磷元素量过高会在晶界处偏聚，而恶化钢的韧性，严重时导致晶界断裂。因此需要把磷的含量控制在一定范围内才能有提高高速钢的使用性能。砷、锑、锡、铅和锌等白色低熔点杂质元素主要由原料带入钢内，它们极易偏聚在钢的晶界和相界上，对钢的韧性和塑性都将产生严重的危害。当白色元素含量较高时，钢就会想玻璃一样脆，通常认为高速钢中的锑和铅等杂质元素应控制在0.045 %以下。1.2.2夹杂物冶炼方法对钢的纯净度影响很大，未加精炼的钢气体含量高夹杂物比较多，未加精炼的钢中主要是 B（图 3）类和 D（图 4）类夹杂物，这与钢中的氧的含量有直接关系，钢的纯净度与钢的韧性有着直接的关系，为避免这些杂质元素，应重视原料的选择。图 2 B 类夹杂物 图 3 D 类化合物1.2.3 碳化物碳化物的结构形态、种类、大小和数量都影响着高速钢的韧性。碳化物颗粒愈粗大，分布愈不均匀韧性也就差。粉末高速钢中碳化物颗粒尺寸细小，多在 3m 以下，而且分布很均匀(图 5)，因此该钢的韧性很好。未熔的粗大碳化物，可能有利于裂纹的萌生，但对裂纹的扩展影响较小，这是由于近邻碳化物粒子平均间距大于这类高速钢的临界塑性区的大小，因而不致产生粒子诱发的裂断。粗大碳化物不仅有利于裂纹的萌生，也有利于的裂纹的扩展，从而导致韧性下降。图 5 为碳化物组织1.2.4 热处理淬火前高速钢应处于完全退火状态，否则在淬火后会出现混晶或萘状断口等缺陷使钢变脆，甚至报废。一般情况下，出厂的钢材都已经过完全退火处理，否则工具厂必须进行完全退火处理。另外，如果工具机械加工应力过大，应先进行消除应力退火后再淬火。淬火温度过高容易形成过热、过烧显著降低晶间结合力和钢的韧性。淬火保温后，如果速冷却度缓慢，先共析碳化物沿奥氏体晶粒析出，对韧性和碳化物产生不良影响。因为碳化物析出使基体中的碳和合金元素的过饱和度降低，致使二次硬化效果弱，碳化物沿晶界析出时，会弱化晶界，造成钢的韧性下降。淬火后钢中的残余奥氏体含量较多应及时回火处理，在保持硬度的前提下，选择较高的回火温度。在淬火和回火后的基体组织是回火马氏体组织，淬火温度愈高，奥氏体晶粒就愈大，马氏体针也就愈粗大，基体中的碳和合金元素含量也愈高，马氏体的正方度也就愈大，畸变应力也就愈大，更有利于孪晶马氏体的形成，因此淬火温度高时，其韧性就差。1.3硬度高速钢的硬度是由残余奥氏体、合金碳化物与马氏体决定的。残余奥氏体的量应该控制在 1%2%，残余奥氏体量过少时，要求回火温度较高，回火马氏体的位错密度大大降低，部分马氏体分解为渗碳体和铁素体，是硬度降低。高速钢在淬火是要严格的控制制淬火温度，如图 6 为高速钢的淬火温度与硬度的关系，高速钢的硬度先随着温度的升高而增高，这是由于溶入奥氏体的碳和合金元素逐渐增加所致。碳与合金元素的提高的同时，也导致了马氏体转变温度 Ms 点逐渐降低，当溶解的合金元素过多时奥氏体的稳定性增加淬火时来不及转变为马氏体，使组织中残余奥氏体的量也增加，所以当达到峰值后高速钢的硬度逐渐降低。淬火后残留奥氏体呈薄膜状分布在马氏体板条之间。溶入奥氏体的合金元素在淬火后，固溶在马氏体基体中，形成固饱和的高硬度马氏体，过饱和马氏体是不稳定的，在回火过程中将发生碳和合金元素的脱溶，当温度较低时析出的碳与合金元素不能达到弥硬化的作用，反而因马氏体中固溶碳量降低导致硬度下降，当升至480时第二次硬化开始，到520达到峰值（图7） 。这是因为回火过程有更多的残余奥氏体转变为马氏体，而此时析出的碳化物量能够产生弥散强化。残余奥氏体与二次碳化物的共同作用使钢的硬度得到提升。 图 6高速钢的硬度与淬火温度的关系 图 7 高速钢的硬度与回火温度的关系1.4 应用（1）高速钢辊环，主要是使用铸造高速钢利用具有高硬度、尤其是具有很好的红硬性、耐磨性和淬透性作为工作层，用韧性满足的锻钢、铸钢作为芯部材料通过熔铸的方式复合起来高性能轧辊。实际使用表明，高速钢辊环不粘钢、不开裂、不打滑使用效果明显优于高铬铸铁辊环和无限冷硬铸铁辊环。（2）用作刀具，通常用粉末冶金的方法制造，它比普通的高速钢有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性。例如：麻花钻、丝攻，铰刀、拉刀、车刀、铣刀。世界粉末冶金高速钢在刀具上的应用及各类刀具占的百分比已达到齿轮刀具占 70%，拉刀占30%，立铣刀占 20%，钻头占 1%，这有助于维持高速钢刀具的应用领域。（3）用作模具，高速钢经热处理后课获得高强度度和及好的耐磨性，还具有较高的耐热性、红硬性、从而获得高寿命的模具钢。例如：陶瓷成型模、冷压模、冷徽模、冷拉模、冲头、平整模。2.存在问题及解决措施由于该课题不能进行实验因此要查阅大量文献，通过总结来了解高速钢的性能以及应用，从而对高速钢进行了解来完成论文。3.后期工作安排对高速钢的性能进行汇总，总结结论，并撰写毕业论文。注：1）正文：宋体小四号字，行距 20 磅，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。2）中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。指导教师签字：年 月 日开题报告题目: 成型工艺（铸造、粉末冶金）对 W12Cr4V5Co5 高速钢组织性能的影响01、毕业设计（论文）综述1.1 题目背景及研究意义传统冶金的发展已趋成熟，从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料。传统的工艺将金属熔炼成液态然后经行浇注最终成为我们所需要的零部件。熔炼金属需要大量的燃料，在此过程中需要控制加热的温度、保温的时间以及冷却的方式，这些因素都影响着最终金属组织及晶粒的大小从而影响金属的质量。用传统冶金工艺可以大批量的生产，但在浇注一些特殊的铸件时由于铸件形状的因素会导致冷却不均匀而使晶粒的大小不均匀，在浇注过程中由于热应力而引起的缺陷称为膨胀缺陷，有夹砂结疤、鼠尾、沟槽、毛刺。由于型壁发生移动对铸件的尺寸精度、缩孔、缩松有很大的影响。铸型在金属液的作用下会产生大量的气体不能及时排除就会在铸件中形成气孔。近些年来，由于一些新技术的兴起，如机械合金化、粉末注射形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等，使粉末冶金材料和技术等到了各国的普遍重视 1，其在超导材料、纳米材料、高磁性材料、生物工程材料、超硬材料、超微机械、梯度材料等出现高技术领域得到广泛的应用 2。粉末冶金生产技术发展迅速，产品应用领域不断扩大，成为现代工业重要的组成部分。粉末冶金具有节能、省材、精度高、一次成型无需二次加工的优点，粉末冶金零件的压制是一个关键的工序，在压制过程中，由于种种原因会产生压制缺陷，常见的压制缺陷有密度不均匀、分层、裂纹、掉边掉角等缺陷 3。缺陷的产生可谓防不胜防，即使生产了多年的产品也会有各种缺陷，从而导致制品的批量报废。不管是传统冶金还是粉末冶金在当今的社会中应用广泛，人们对其优缺点的研究对实际的生产有着重要的意义。1.2 国外研究现状在过去的几年里北美的粉末冶金工艺得到了长足的发展，这主要得益于北美的粉末冶金技术的发展与提高、生产设备和生产工艺的革新以及粉末冶金制品在汽车中的不断增加等因素 4。2001 年 9 月美国金属粉末工业联合与美国能源部工业技术办公室征得美国一些大学、研究机构和企业的意见后联合制订了美国粉末材料和粉末冶金工业近、中和长期发展规划 5。欧洲是继北美之后的第二大粉末冶金生产工业区，生产技术先进，管理体制较完善。意大利目前是欧洲粉末冶金发展最快的国家，其金属货运量位居欧洲第三位。和其它国家相比，意大利粉末冶金工业分配领域有所不同，它的粉末冶金产品并不主要局限于汽车行业，在最近几年里，用于汽车中的粉末冶金零件占总的粉末冶金产品的 50%左右 6。与欧美相比，亚洲粉末冶金的整体水平比较落后，但从历史来看亚洲粉末冶金工业历史较长，并且具有一定的生产基础，发展速度快。日本的粉末冶金工业发展在亚洲一直处于领先地位，目前，日本的粉末冶金生产厂家约达上百家，年销售额共达 10 亿美元。粉末冶金作为一种3新技术，以其独特的优越性越来越受到是人的重视，欧美及日本在生产规模及发展速度上均处于遥遥领先的地位 7，我国与他们的差距相差甚大。要扭转这种情况，中国应该加强人才培养，加大对高精度自动化设备的投资，加快对外交流，努力提高产品的性能和精度 8。在传统冶金工艺原有的基础上，国外一些学者发现超声波的振动能大大的强化传质过程，能够活化固体表面，加速反应 9。超声波在金属的铸锭、清洗、焊接等发面投入应用改善工件的物理性能和机型性能，尽管超声波能强化冶炼过程、细化晶粒、提高产量，但目前对于超声波的复杂性，人们对其机理尚知之不多，加上缺乏合适的设备，因而超声波的应用还有一小段距离，随着科学的发展，设备进步，超声波的应用前景是光明的 10。1.3 国内研究现状我国粉末冶金在解放前除了能生产一点硬质合金外，几乎是一篇空白。解放初期随着我国工业的恢复和发展，逐步建立了少数几个生产磁性材料、硬质合金、钨钼制品以及铜基制品的车间和生产厂。我国的粉末冶金发展很快，特别是经过无产阶级文化大革命的有力推动，我国的粉末冶金更为迅速。现在形成工业规模的生产能力，在国民经济中发挥越来越重要的作用 11。我国的粉末冶金工业能采用多种制粉方法制取上百种的黑色金属及合金粉末、难溶金属及其化合物粉末、有色金属及其化合物粉末、贵重与稀有金属粉末以及包复粉末等。这些粉末，一部分是粉末冶金工业的原料，另一些是机械、化工、半导体、原子能、航空以及宇航等许多工业部门的重要材料。我国粉末冶金从无到有，从小到大地发展成为一门初具规模的新兴工业，成为我国社会主义建设所不可缺少的一个部分 12。1.4 对比总结传统冶金需要把金属熔炼成液态，此过程需要大量的燃料，所需的温度较高。传统的冶金转变是将固态的金属熔炼成液态，然后浇注冷却使液态转变为固态。在凝固过程中需要一定的过冷度，它的凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关 13，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况有关，液固界面不可能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝形成树枝晶 14。凝固后为满足材料的性能要求，对其晶粒度也有着一定的要求，有时为了获得性能要求还需要细化晶粒。粉末冶金是节能、高效、环境友好、设和大批量生产的金属成形工艺又因其工艺特点 15，创造了一系列特殊性能和用途的新材，有着广阔的发展前景。但粉末冶金制备的材料含有残余孔隙 16，影响着材料的性能。传统冶金与粉末冶金在当今的社会中应用广泛，人们对其优缺点的研究使人们能够预防和控制着冶金过程中的缺陷，在生产材料时可以选择冶金方式来达到所需的要求，这对实际的生产有着重要的意义。建议我国加速粉末冶金发展的几点建议 17提高铁粉质量、增加铁粉品种。主要是要降低铁粉中的含氧量和含碳量。二次还4原工艺是提高还原铁粉的质量的有效措施。加强粉末冶金制品厂的技术改造，提高现有的生产水平。努力开发新产品。不断提高粉末冶金厂的经营管理水平与经济效益。大力宣传粉末冶金技术，推广粉末冶金制品的应用范围。 2、本课题研究的主要内容和拟采用的研究范围,研究主要内容和结论2.1 本课题研究的范围本课题研究的范围：1、了解铸造与粉末冶金两种工艺的过程；2、了解两种成型工艺各自的优缺点及其原因；3、查阅文献资料来比较用这两种工艺生产的 W12Gr4V5Co5 高速钢的性能、组织以及成本；4、查阅资料了解 W12Gr4V5Co5 高速钢的应用及前景。2.2 研究内容1、两种成型工艺生产的 W12Gr4V5Co5 高速钢的组织、性能及成本的区别；2、两种成型工艺生产的 W12Gr4V5Co5 高速钢对应用范围的影响。2.3 结论高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢，高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。除用熔炼方法生产的高速钢外又出现了粉末冶金高速钢，它的优点是避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析而引起机械性能降低和热处理变形。3 本课题研究的重点及难点,前期已开展工作前期的工作主要了解课题并且进行文献查阅，制定研究的范围和研究的内容，撰写开题报告。4 完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)第 1-2 周 做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告；第 3 周 开题答辩；第 4-7 周 完善研究范围及内容，并查阅大量的文献第 8 周 完成中期报告，中期答辩；第 9-10 周 对查阅到的资料经行总结分析，有不足之处，再继续查阅文献；第 11-12 周 对查阅到结果经行分析；第 13-14 周 整理研究结果并写出完整的毕业论文；第 15 周 毕业答辩。1指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日1参考文献1黄伯云,易键宏.现代粉末冶金材料和技术发展现状J.2007:1.2亓家钟,陈利民.粉末冶金新技术J.2004:23.3申小平,许桂生.粉末冶金压坯缺陷分析J.2012:1.4孙世杰,进年北美粉末冶金行业发展J.2002:13-14.5Schaefer D L, Trombino C J. State of the North American P/Mindustry-2004J,International Journal of powder Metallurgy ,2004,40(4):27-32.6Morandi O.The PM Industry in ItalyJ,Powder Metallurgy,2003,46(4):294-296.7RICHARD H S. New powder applicationsJ.Gear Solutions,2005(7):32-43.8郑雪萍,李平,曲选辉.世界粉末冶金行业的发展现状J.2005:6-9.9徐盛明,张传福,赵天从.超声波在火法冶金中的应用J.1996:225-227.10彭万金,超声波在冶金中的应用研究J.2008:135-138.11张廷楷.我国粉末冶金的现状与发展J.1986:66.12孙克云,丁传毅.我国粉末冶金工业炉的发展现状J.2008:37-39.13刘中良,马重芳,孙旋.相变潜热随温度变化对固- 液相变过程的影响J.2003:54-56.14傅恒志,毛协民,李建国.液固相变中的界面形态选择J.1994:214-216.15孙炎,李小佳.国外冶金和材料标准样品的现状与发展J.2009:36-37.16曹勇家,郝权,李小明.粉末冶金工艺的两大发展R.2011:45.17刘咏,我国粉末冶金产业及技术发展的几点思考J.2004:32-34. 成型工艺（铸造、粉末冶金）对 W12Cr4V5Co5 高速钢组织性能影响成型工艺（铸造、粉末冶金）对W12Cr4V5Co5 高速钢组织性能的影响摘要本文主要研究了粉末冶金与铸造这两种不同成型工艺对 W12Cr4V5Co5 高速钢的组织性能的影响，从钢的纯净度、碳化物、热处理、残余奥氏体以及马氏体来研究了成型工艺对高速钢的韧性和硬度的影响。通过对文献的分析和总结得出，粉末冶金高速钢的性能十分优越，具有高的强度、高硬度、高韧性、高耐磨性、可加工性好的特点，其组织细密无偏析。加大粉末冶金高速钢的研制力度对我国的国民经济的发展有很好的推动作用。关键词:韧性；碳化物；热处理；硬度；残余奥氏体IMolding process (casting, powder metallurgy) onEffect of tissue properties of high speed steel W12Cr4V5Co5AbstractThis paper studies the effects of powder metallurgy and casting molding process for these two different organizational performances W12Cr4V5Co5 speed steel from steel purity, carbides, heat treatment, residual austenite and martensite to study the molding process of the HSS impact toughness and hardness. Through analysis and summary of the literature concluded that the performance of powder metallurgy high speed steel is excellent, with high strength, high hardness, high toughness, high wear resistance, and good processability, which organized crime is no segregation. Intensify research efforts on the development of high-speed steel powder metallurgy of our national economy has a good role in promoting.Keywords: toughness; carbides; heat treatment; hardness; residual austeniteII目 录1 绪论 .11.1 相关背景及研究意义 .11.1.1 引言 .11.1.2 高速钢的发展简史 .11.1.3 我国高速钢的发展 .21.1.4 高速的地位 .41.2 传统与粉末冶金高速钢 .51.2.1 铸造生产高速钢 .51.2.2 粉末冶金高速钢 .51.3 合金元素 .71.3.1 C 元素 .71.3.2 W、V 元素 .81.3.3 Cr 元素 .91.3.4Co 元素 .91.4.5 其它元素 .91.4 本文主要的研究的目的、意义和内容 .102 韧性 .112.1 钢材的纯净度 .112.3 碳化物 .142.4 热处理 .172.4.1 淬火 .172.4.2 回火 .193 硬度 .223.1 残余奥氏体 .233.2 马氏体 .254 结论 .28参考文献 .2901 绪论1.1 相关背景及研究意义1.1.1 引言高速钢是高速工具钢的简称。在我国冶金业中一般简称为高工钢，民间也俗称为锋钢。它的年产量虽然不大，但由于成分复杂、合金含量高，生产工艺与性能特殊，价格昂贵，因此在特殊钢中一直占有着独特的地位。高速钢属于高合金高碳莱氏体钢，通过特殊的热处理可获得高的硬度，而且在高温下也能保持高硬度和高耐磨性的耐热耐磨钢类，其用途主要用在制造各种机床的切削工具，也用于高载荷的模具，航空高温轴承及特殊耐热耐磨零部件等。1.1.2 高速钢的发展简史高速钢自诞生以来，对现代工业发展起到了重要作用。1900年巴黎世界博览会上工具钢的切削表演时，切削速度、吃刀深度和进刀量均可成倍提高，使生产能力提高340%，引起了轰动，迄今公认这就是高速钢的正式诞生，是当时机床和工具业的里程碑事件。进入20世纪，高速钢更开创了异乎寻常的辉煌成绩，后来由于W 资源的匮乏， 1932年美国J.V.Emmons 发明以Mo代替W的高钼钢M1，由于Mo矿的大量开采与加热设备的改进，W-Mo系高速钢得到了空前的发展，又相继出现了普通高速钢、高性能高速钢。1965年美国发明粉末冶金法生产高速钢，1970年 瑞典 Stora-ASEA 粉末冶金高速钢投产，电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产。高速钢发展大事记如表1.1所示 1。表 1.1 高速钢发展简史年代 大事记18701898 英国 Mushet 自硬钢（C2%，W7%，Mn2.5% ） ，切削中碳钢速度达到8m/min18981900 美国 F.W.Taylor 和英国 M.White 发明接近钢熔点的高温淬火和高温回火，并以 Cr-W 钢（C1.85%，W8%，Cr3.8%）取代 Mushet 的 Mn-W 自硬钢，从而创立了高速钢。切削中碳钢的切削速度达到 20m/min。1900 年在巴黎1国际博览会上表演高速钢切削成功续表 1.11903 出现现代高速钢的原始成分（%）C0.7，W14，Cr41904 美国 Jhon Mathew 向高速钢中加入 0.3%V1906 试用电炉冶炼高速钢1910 确立 T1（W18Cr4V）钢成分（C0.75%、W18%、Cr4.0%、V1.0%） ，切削中碳钢的速度为 30m/min1912 德国 Backer 向钢中加入 3%5%的 Co，提高钢的热硬度1918 3t 电弧炉试炼高速钢成功，替代了坩埚炉，得以生产较大尺寸的钢锭和钢材1923 加入 Co 量达 12%15%，切削速度达 40m/min 以上1932 美国 J.V.Emmons 发明以 Mo 代替 W 的高钼钢 M11937 美国 Brcclor 发明 W-Mo 系高速钢 M21939 美国 J.P.Gill 发明高碳高钒钢，称 super HSS，含钒 3%5%，淬回火硬度达 HRC6768，耐磨性好，但可磨削差1953 出现加硫（0.05%0.2% ）易切削高速钢19581963 平衡碳原理提出与应用，美国发明 M40 系列钢，硬度达到 HRC70 的超硬刚，最早为 M41 和 M421965 美国 Crucible Steels 发明粉末冶金发生产高速钢1970 瑞典 stora-ASEA 粉末冶金高速钢投产；电渣重熔高速钢开始大截面材生产；高速钢用于高载荷冷作模具日益增多1980 氮化钛的物理气相沉积法成功用于部分高速钢刀具，使寿命成倍提高，对高速钢的应用与发展有着重要的意义1990 粉末冶金高速钢新钢中热处理硬度达到 HRC7072，综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视和发展，替代部分通用钢，以节约合金资源2003 日本 Nachi 采用 FM 工艺生产高速钢1.1.3 我国高速钢的发展我国生产高速钢也有近百年历史，早在 1918 年在大连钢厂就有少量的高速钢投产，但由于技术比较落后，生产的高速钢性能为一般，没有受到很好的推广。新中国成立后，高速钢工业得到了迅猛的发展，1960 年高速钢的产量达到5111 吨，1965 年猛增到 12003 吨，70 年代我国的高速钢达到了 20000 吨，已是世界上生产和消费高速钢的大国。1898 年我国的高速钢达到历史的最高233350 吨，其后的年产量都在 30000 吨左右，此前都是大连、重庆、上钢五厂和抚顺等国营钢铁厂生产。90 年代末，随着我国经济的宏观调控和企业内部的结构调整，国营钢厂逐渐放弃高速钢，以江苏天工为代表的民营企业逐渐成为我国高速钢生产的主要厂家。进入 21 世界民营企业的发展更为迅猛，高速钢的产量逐渐增长。表 1.2 为 1985 年到 2004 年我国高速钢的生产总量 2。我国高速钢虽然产量大，但因新生的民营企业生产设备落后，技术参差不齐，生产的主要以普通高速钢和低合金高速钢为主，高性能高速钢产量很低。目前高性能高速钢主要从一些发达国家进口，这大大提高了我国机械企业的运营成本，浪费了国家资源，而且我国大部分通过小型的电弧炉进行冶炼，生产效率较低而且品质差，所以研发高性能高速钢，加大粉末冶金高速钢的研制力度对我国的国民经济的发展有很好的推动作用。表 1.2 1985 年2004 年我国高速钢生产总量 /t年份 钢锭 钢材 数据来源1985 42201 282401986 43280 298461987 46913 315161988 43650 281991989 61493 389031990 56300 365651991 45792 312421992 33870 234551993 44749 291411994 36037 240001995 28202 214101996 30400 223831997 20802 158481998 20934 162091999 28537 20025冶金部协调组2000 53070 403352001 52612 406182002 60506 469232003 77236 591432004 91508 73868特钢行业高速钢专业组31.1.4 高速的地位高速钢通常分为钨系高速钢和钼系高速钢 3。钨系高速钢耐磨性、高温塑性、韧性好，钼系高速钢热硬性较好，热处理时脱碳和过热倾向较小 4。高速钢中的碳质量分数在 0.7%以上最高可达 1.5%左右，它一方面保证能与W、Cr、V 等形成足够的碳化物，另一方面一部分溶入奥体中，以保证马氏体的高硬度。高速钢的诞生至今已有百年历史，人们在合金化、钢种、生产工艺、热处理、性能及显微组织等方面经行了许多卓有成效的工作，可以说已经达到成熟阶段。在 1930 年以前切削主要是依赖高速钢，20 世纪中期以后，世界科学技术得到发展许多超硬工具材料如 TiC 基硬质合金钢、涂层硬质合金钢、陶瓷和金属陶瓷、立方氮化硼、聚晶金钢石等不断出现。在切削速度、切削效率及切削难加工材料上高速钢都无法相提并论。除了提高切削速度外，超硬材料在切削高硬度及难加工的金属与非金属方面也正起着及其重要的作用。但是高速钢的韧性，工具的成型性却是任何超硬工具材料无法比拟的，而且高速钢刀具，尤其是复杂、紧密的刀具的制造成本较低。加之，高速钢合金化、冶金生产及热处理技术不断进步，使自身的性能不断提高。因此，尽管在单刃刀具高速钢切削与难加工材料领域中硬质合金钢等占的份额日益增多，但在多刃刀具（尤其是复杂、紧密刀具） 、经受冲击和振动的切削加工以及加工一般材料时高速钢仍占据主要地位。表 1.3 是国外对常用工具钢销售额按材料分类的统计表，由表中数据可知，迄今以及可预见的将来，高速钢与硬质合金钢并列为现代刀具的两大支柱材料，从数量上讲高速钢仍然处在基础地位 5。表 1.3 主要机加工刀具材料销售金额表各种刀具中不同材料所占比例/%刀具名称 占刀具其总额比/% 陶瓷 高速钢 硬质合金车刀 25 2 17 81麻花钻 23 0 96 4攻丝刀具 20 0 100 0刀头与铣刀 12 0 60 40齿轮刀具 5.7 0 98 2铰刀 5.4 0 60 40拉刀 4.8 0 100 041.2 传统与粉末冶金高速钢1.2.1 铸造生产高速钢传统的高速钢材生产工艺，一直都是采用熔炼铸锭锻轧工艺。传统的铸造高速钢有冷却速度缓慢，从表层知中心都有着明显的变化。从外至内依次为，钢锭表层区，此区域内为细小无序的等轴晶区，即坚韧壳带，在坚韧壳带内，一次碳化物以很细的网状分布在晶界上，共晶莱氏体不太明显。其次为柱状晶区，该区域内树枝状结晶有序的，其生长方向是有序的从钢锭表面指向中心，即径向方向，而共晶组织较明显的分布在晶界上。钢锭芯部，则为粗大无序的等轴晶区，而且共晶组织极为明显呈粗大的网络，碳化物聚集也极为严重 6。铸态高速钢中存在着网状共晶体，分割了晶粒间的联接，这种网状共晶体本身硬而脆，在钢中分布不均与，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利的影响，严重的影响着使用寿命。提高轧材内在的质量和精度，降低生产成本是轧钢领域的重要研究课题。轧制新技术可有效的提高质量，但同时对轧辊和轧环也有了更高的要求。为满足中这一要求，符寒光等人开发了离心铸造高速钢辊环 7。组织致密、缩孔、疏松和气孔等铸造缺陷明显减少，但由于钢中含有较多W、Cr、Mo、V等元素，这些元素密度差别较大，采用普通离心铸造方法时，合金易产生偏析而影响质量 8。市野健司等人发现偏析主要是MC型碳化物。通过挤压铸造高速钢可获得组织致密、无偏析、加工量少的高速钢辊环。挤压铸造又称为液态模锻，我国从1957年开始进行挤压铸造的研究，20世纪80年代挤压铸造工艺得到了较大发展。符寒光等人对挤压铸造高速钢辊环进行了研究，高速钢挤压铸造设备为一台四柱式160t液压机，工件尺寸精确、表面光洁、加工余量小 9。1.2.2 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是高速钢研究的一个重要的里程碑，它消除了铸锻生产高速钢常有的粗大碳化物的偏析，自从 1948 年苏联拉科夫斯基（B.C.PaKoBckua）采用高速钢屑热压成高速钢 10，1965 年美国 Crucible Steels 发明粉末冶金法生产高速钢。从粉末冶金的发明到现在，粉末冶金已经5从第一代发展到第三代粉末冶金 11，经几十年的发展粉末冶金技术越为成熟。粉末冶金领域雾化制取高质量预合金粉末得到了迅猛的发展，加上冷、热静压机的问世，使得采用粉末冶金工艺生产高性能合金材料成为可能 12。粉末也就能高速钢不仅解决了传统冶金中存在的碳化物组织质量问题，而且还开辟了一般铸锻工艺难以生产的超高合金含量的高速钢的新途径。利用粉末冶金制高速钢，以气体雾化法为例，首先用图 1.1 设备将高速钢熔化 13，用雾化发法制取成粉末，这种粉末颗粒表面无氧化物，而且每个颗粒都有着相同的化学成分，每一个颗粒，就相当于一个小钢锭，这样一个小钢锭的重量相当于普通钢锭的一百亿分之一，因此当熔融钢液冷凝成分粉末十分迅速，以至大大的降低宏观偏析。所以用这种方法制成高速钢锭时，无论尺寸多大，均可消除粗大的共晶偏析，并可的到极小的碳化物 14。因此，粉末冶金高速钢作为一种新型钢类在高速钢中占有日益重要的地位，倍受冶金和机械制造行业的青睐。a 真空感应炉 b 电渣重熔炉图 1.1 高速钢熔化设备实验室中常用的设备 15：（1） WL-1 型行星是球墨混料机（2） JS-15B 型电子天平（3） FD-A-50 型冷冻干燥机（4） LDJ200/600/300 冷等静压机（5） HAS-25 型真空烧结炉（6） QIH-15 性热等静压机（7） Simplimet1000 型全自动热镶样机和普通高速钢相比，粉末高速钢具有显著的优越性 16。a无碳化物偏析 ，各向同性 ，性能均一，碳化物颗粒细小均匀， 不论工6模具截面尺寸多大，其碳化物分布均匀，最大颗粒直径均在2至3m 以下，粉末高速钢的磨削性较好。b. 硬度高。在化学成分相同的情况下，与传统的高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高 11. 5HRC，高温硬度提高更为显著。故粉末冶金高速钢的耐用度高，磨削性能好。c. 抗弯强度和韧性较高，适用于制造承受冲击载荷的工模具。粉末冶金高速钢有热等静压法（HIP）和粉末注射成型（PIM） 17，其工艺流程为图1.2和图1.3 18。图1.2热等静压压制技术 图1.3喷射成型制备粉末冶金技术1.3 合金元素W12Cr4V5Co5高速钢的化学成分如表1.3所示。表1.3 W12Cr4V5Co5 高速钢的化学成分元素 C W V Cr Co Mn Si S P含量 wt% 1.55 12.0 5.0 4.0 5.0 0.3 0.2 0.030 0.0301.3.1 C 元素碳是所有钢中最基本的元素，主要是保证钢的硬度、强度与韧性，它含量的高低、存在状态和分布的情况对高速钢的各项基本性能有着至关重要的影响。7淬火时一部分碳化物溶于奥氏体中以保证马氏体的硬度，回火使合金碳化物以弥散析出，引起二次硬化。另一方面未溶的碳化物起着阻止晶粒长大和耐磨的作用。从高速钢轧辊的凝固过程可以看出 19，随着w(C) 的增加，液相线温度降低，钢液的流动性和铸造性得以改善，初晶奥氏体的量减少，晶粒细化，碳化物量增多。硬度、红硬性都会提高，但同时使碳化物的不均匀增加，塑性下降，若再提高碳的含量，则会使熔点下降，迫使淬火温度下降过甚，红硬性和机械性能下降。而w(C)的量低时初晶奥氏体生长区间变宽，晶粒粗大，同时因残余液相减少，碳化物的量减少，且碳化物只能在晶界处析出，则降低了高速钢的硬度、红硬性和耐磨性。高速钢中的C大部分与W、Cr、Mo和V形成碳化物，少量进入基体，基体中的w(C) 的量决定基体特征。当基体中的 w(C)小于0.3%时，将减弱热处理效果。大于0.6% 时，会使残余奥氏体和片状马氏体的量大大的增加，因而降低断裂韧性，C 与碳化物形成元素之间的比例，对高速钢产生重要的影响，1964年steven总结了前人的经验提出了“平衡碳”概念，并确定了w(C)量的经验公式，该公式在几种常规的高速钢成分中得到了验证，但并不具普遍性。近年来松原安红等人给出了确定的公式，其平衡式如下 20。C%=0.060Cr%0.063Mo%0.033W% 0.235V%1.3.2 W、V 元素W 与 V 是钢中的主要元素，它们都影响高速钢的红硬性的元素，但二者不可替代，W 的作用于 V 有一定的关系，当 V 的量较低时（如 1%1.2%）红硬性和切削性随着 W 的量增加而增加。 W 可以与 C 形成 M6C、M 2C 的碳化物（如图 1.4） 21，其中典型的碳化物有 Fe4W2C、Fe 3W3C、和 Fe2W4C，形成一次性碳化物 M6C 碳化物的稳定性、熔点较高，在 1150-1300才能熔解，可以使钢的淬火温度接近于熔点。W 还可以形成二次碳化物，在回火过程中，马氏体的 M2C 的析出产生二次硬化和提高红硬性，这项作用除 W、Mo 外其它元素无法替代。W 可降低钢的导热系数，因此高速钢的加热和冷却必须缓慢经行。V也是影响高速钢红硬性元素之一，V与C有较强的亲合力，所形成的碳化物比W 碳化物更为稳定，二者不可替代。在高速钢中，增加w(V) 的量，相当于凝固相图图 1.4 为典型碳化物组织8中所有的点左移 22，随着高速钢w(V) 含量的增加共晶反应温度下降，MC的形成温度升高。淬火加热时能显著阻碍奥氏体晶粒长大。当温度超过1200 ，它才开始明显溶解。V碳化物的硬度大大超过W碳化物的硬度。其颗粒细小，分布十分均匀，因此钒碳化物对改善钢的硬度，耐磨性和韧性有很大作用。特别是提高钢的耐磨性最有效。在回火时V以细小的碳化物弥散析出，产生二次硬化而提高热硬性，V也能提高马氏体的分解温度，但效果不如 W，随着V 量的增加，则红硬性和耐磨性提高。1.3.3 Cr 元素Cr主要是提高淬透性，淬火加热时，几乎全部溶入奥氏体中，奥氏体的稳定性得以提高，4%Cr能充以满足的钢对淬透性的要求。Cr能与O元素反应生成由Cr 2O3组成的致密的氧化膜，这种氧化膜不易破裂对基体有保护作用，因此能提高钢的抗氧化和抗腐蚀能力。此外Cr能促进一些合金碳化物溶入奥氏体中，从而提高钢的二次硬化效果 23。1.3.4Co 元素Co元素是提高二次硬化效应非常有效的合金元素，它与其它元素不同，它是非碳化物的形成元素，只有极少数以M 6C的形式存在， Co可以细化碳化物，增加钢的红硬性、二次效果硬化和热硬性。Co虽然不容有二次析出碳化物中，但却能在回火时提高二次硬化析出的生核率并降低其长大率，促进马氏体二次硬化析出，细化颗粒，故而增加二次硬化效果。Co促进C在-Fe中的活度，使碳化物更容易析出，同时是C的梯度浓度下降，C的扩散流减小，减慢了碳化物的积聚速度，防止碳化物粗大 24。1.4.5 其它元素Si是非碳化物形成元素，一般含量在0.2%0.4%之间。高速钢中Si含量不宜过多也不宜过少，过少起不到脱氧作用，过多则会引起脱碳、降低红硬性和韧性。所以高速钢中的含Si 量要严格控制，和其他元素一样Si也可以增加二次硬化的效果 25。 Mn对提高淬透性也有着较强的能力，能够降低钢的M s、M f点，并增加残余奥氏体量，对马氏体的分解影响较小。增加Si、Mn主要增加淬透性，已达到减少钢在热处理时的变形，同时增加钢的回火稳定性。工具钢对钢材的纯净度要求严格，对S、P 的质量分数一般均限制在 0.02%0.03%。91.4 本文主要的研究的目的、意义和内容高速钢作为工具钢应用广泛，常用于切削，切削能力主要与红硬性、韧性和耐磨性有关。一般来说淬火回火后硬度越高，则红硬性越高，耐磨性越好，韧性就越差，韧性与红硬性、耐磨性之间存在此消彼长的关系。高速钢具有良好的韧性、硬度及耐磨性。然而影响高速钢韧性、硬度的因素有很多，高速钢技术的成熟推广，将大大的提高中小型材成率，降低生产成本，而且提高碳化物的质量。高速钢的纯洁度的提高，包括降低含氧量、非金属夹杂物、微量有害杂质等等都将进一步提高高速钢的韧性与塑性。本文主要从夹杂物、碳化物、残余奥氏体、热处理手段以及成型工艺来研究铸造、粉末冶金两种不同的成型工艺下的高速钢韧性、硬度的差别。102 韧性韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性好的高速钢刃具是经久耐用的，可以抵抗各种负载、延伸塑变而不出现开裂和断裂。如果韧性不好，则容易产生崩刀，从而使刀具报废 26。韧性不好还会加重刀具的磨损，许多微小的磨损是有崩刃引起的。因此，要提高高速钢的切削质量，就必须改善高速钢的韧性。高速钢属于高合金莱氏体，钢中含有大量硬而脆的合金碳化物，成分组织都很复杂，所以影响韧性的因素也很多，而且有的因素还相互制约、相互影响。不同的钢种韧性不同，即便是同一种钢，成型工艺不同韧性也很可能有很大的差异。高速钢淬、回火后的韧性主要取决于其基体成分、钢的纯净度（非金属夹杂物）未熔共晶碳化物的形貌、奥氏体晶粒度以及残余奥氏体的量。在本文中主要研究钢的纯净度、碳化物以及热处理对韧性的影响。评定高速钢韧性的实验方法有：静弯曲和扭转试验，无缺口试样冲击弯曲和冲击扭转试验 27。在此对铸造、粉末冶金两种工艺下的高速钢韧性的研究，主要从钢材的纯净度、夹杂物、碳化物以及热处理来研究。2.1 钢材的纯净度钢的纯净度是指钢中含有残留杂质元素、气体、非金属夹杂物时钢的污染程度，钢的纯净度越高其性能就越好。如，热轧宽带的含S量由0.020%降到0.001%是，钢的横冲击值提高1215倍，轴承钢的含O量有3010 -4降到1510 -4时，钢的接触疲劳寿命提高5倍 28。可见提高钢的纯净度有着重要的意义，纯净钢的一个重要进展就是把痕量残余元素（Pb、As、Sb 、 Bi、Cu、Zn）归入夹杂物之列。夹杂物破坏了钢的连续性和致密性，对钢的质量将会带来极大的危害。钢的纯净化技术是生产高性能、高质量产品的基础，代表着钢铁行业技术装备水平的先进程度。在实验室对于钢的纯净度分析的方法有 29：a. 化学分析法，主要是分析钢中的化学元素的含量来评价钢的纯净度，但此方法不能分析非金属夹杂物的成分、类型、形貌等。b. 高频超声波探伤，根据钢中缺陷与基体之间的声阻差所形成的反射脉冲11来判断。c. 金相检验法，常有宏观分析法方法、光学金相检验法、电子金相检验方法。d. 电解萃取法，是利用钢中夹杂物电化学性质不同，在适当的电解液和电流密度下对杂质经行分离的方法。在生产现场对纯净度分析分方法有：aPDA法，它是利用炉前岛津的元素分析光谱进行分析。b. 差热抽取法（DTE ），利用不同氧化物热分解的差异，在程序升温下火的对应不同氧化物的释放峰，根据各峰图可以的到夹杂物的类别和数量的信息。c. 单火花光谱分析（ SSA），是将发射光谱的脉冲信号分解与合成，其强度低数量多的是基体发出来的，强度高的谱线是夹杂物发出来的。d. 激光采样/等离子光谱法，用激光对断层进行定位扫描，此方法采样可以直接对1000以上的铸坯。钢材中的杂质元素磷、氧以及白色低熔点元素砷、锑、锡、铅和锌含量高时会导致韧性降低。磷元素有助于提高钢的强度，但磷元素量过高会在晶界处偏聚，而恶化钢的韧性，严重时导致晶界断裂。因此需要把磷的含量控制在一定范围内才能有提高高速钢的使用性能。砷、锑、锡、铅和锌等白色低熔点杂质元素主要由原料带入钢内，它们极易偏聚在钢的晶界和相界上，对钢的韧性和塑性都将产生严重的危害。当白色元素含量较高时，钢就会想玻璃一样脆，通常认为高速钢中的锑和铅等杂质元素应控制在0.045 %以下。这些元素在500600再热处理过程中向晶界富集，因而大大降低了晶界的塑性变形能力。钢中夹杂物对钢韧性的影响是不尽相同 30，对韧性状态下的冲击影响显著，而在脆性破坏范围内影响小。塑性夹杂物和脆性夹杂物对冲击韧性影响不同，塑性夹杂物的硫化物夹杂对韧性状态下的冲击韧性影响显著，随硫化物的数量和平均长度的增加，冲击韧性显著降低。对于典型脆性夹杂氧化物来说，其含量越高，冲击韧性就越低，韧脆转化温度就越高。曾光延 31对非金属夹杂物对钢韧性的研究做了实验，对钢中夹杂物对韧性影响大小做了排序，VN TiS AlN NbN ZrNAl2S3 CeSMnS，由此可见在钢中MnS夹杂物对韧性的危害最大，氮化物的夹杂物的危害远远小于硫化物。对夹杂物的含量与韧性做了线性回归分析，得出： 30.98kafv（J/cm 2），用此回归方程对实验数据经行验证完全符合，钢中韧性随夹杂物的含量升高而降低。对于粉末冶金高速钢与铸造高速钢来说，铸造高速钢的纯净度高于粉末冶12012345678910吹 Ar前 吹 Ar后 中 间 包 铸 坯氧化夹杂个数/个.mm-2金高速钢。粉末中已有的杂质外，在成型初期，加入了粘合剂使其成型，然后在与烧结使粘合剂排出，但此过程不能保证粘合剂完全被排除，因此就增加了粉末冶金高速钢中的杂质，再加上本身已有的难以去掉的杂质，其纯净度就大大的降低了。但因粉末冶金法能够直接完成一些复杂的零件，使其避免了传统方法的多次加工，这样更有利于对工件尺寸精度的控制，也避免了多次加工的繁琐工艺。因此粉末冶金法的应用十分广泛。钢液的净化处理是生产纯净钢坯的基础。钢坯的纯净度在一定程度上取决于钢液的纯净度。在实际的生产过程中，中间包对提高钢的纯净度起着一定的精炼作用，中间包对夹杂物数量有着重要的影响如图 2.132，中间包对夹杂物的去除方式：（1）上浮去除，夹杂物在钢液中向顶渣层运动，若到达顶渣层所需要的时间短于平均停留时间，则夹杂物可以通过上浮至顶层去除，这就要要求在中间包有一定停留时间，以保证夹杂物的完全去除。 （2）碰撞去除，中间包夹杂物是依赖于相互碰撞而长大的，小夹杂物较少大夹杂物增多，大夹渣物的上浮速度比小夹杂物快。 （3）黏附去除，去固体表面接触黏附而被去除。中间包容量为最宜 3050t，中间包增设间隔挡板或短路流抑制板对稳定中间包钢液的流动，延长停留时间，促进夹杂物上浮有重要的意义，对提高钢液的纯净度有着重要的意义。图 2.1 中间包对夹杂物数量的影为了减少钢中夹杂物以及气体的含量提高钢的纯净度，目前的技术有 33：a 控制 RH 中 FO浓度和纯脱气时间。b 采用中间包纯净化技术。c 为了防止结晶器保护渣卷入，采用不易卷入的高粘度保护渣。d 钢包渣改性质：出钢时向钢包表面加入渣改制剂，降低渣的氧化性。e LF 升温脱硫。f 在操作方面，保持适量的 Ar 气吹入量和维持结晶器液面的稳定。1 #围墙3 #围墙空白实验132.3 碳化物高速钢中大量的碳化物是高速钢性能的重要保证。对于高速钢来讲，碳化物是一把双刃剑，它既是保证高速钢硬度、韧性、耐磨性等使用性能，同时又是产生各种质量问题的根源。高速钢中的碳化物种类多、形态各异，碳化物的数量、类型、分布、形状和尺寸等因素都会对钢的性能和质量产生影响。在高速钢中的碳化物按照具体特征及生成情况，可分为一次碳化物和二次碳化物两大类 34。一次碳化物是在凝固过程中直接析出，包括先共晶和共晶碳化物，有M6C、M 2C和MC等不同类型。二次碳化物分是在凝固和热处理过程中从固态基体中析出的，这些固态基体包括高温铁素体、奥氏体及马氏体等，二次碳化物为M 6C、MC、M 23C6、M 7C3、M 2C等类型。M 2C不是稳定的碳化物，在1000下分解成M 6C、MC ，原来一条条 M2C，变成了亮白块的M 6C和小黑点状MC 。在晶界处分布的大的一次碳化物或碳化物团是引起断裂的裂纹源所在处，若这些碳化物联结成网状则会大大增加裂纹的扩展速率，但与晶界成一定角度的M2C型碳化物对于改变裂纹方向和阻碍裂纹扩展具有很大作用。表2.1为各种碳化物中合金元素的含量 35。从表中可以看出M 23C6主要是Cr的碳化物，M 6C主要是Fe和W的碳化物， M2C主要是W和Mo的碳化物，MC主要是V的碳化物。表2.1各种碳化物中合金元素的含量（原子分数,% ）碳化物的类型 Fe W Mo Cr VM23C6 49 4 3 41 3M6C 46 27 13 5 9M2C 14 22 28 14 22MC 痕量 6 22 40 32研究碳化物扫描电镜是有力的工具，扫描电机的优点是分辨率高、放大倍数高，能方便的来研究碳化物的类型、形状、尺寸及碳化物上的缺陷和细节等。也可以使用化学染色技术，并结合电子探针分析，以不同的干涉色来显示高速钢中的合金碳化物，染色剂是使用硒酸 36。碳化物的不均匀性，为定性的表达这一特点 37。2008 年高速工具钢制定了标准。碳化物的不均匀严重造成的危害有：（1）碳化物的不均匀会降低钢的韧性，消弱基体的强度，以及造成应力集中，在锻造轧扭过程中易裂。 （2）14对热处理影响，碳化物集中处碳及合金元素较高，所以热敏性较大，在碳化物集中处常出现过热，沿着碳化物带状处造成裂纹。由于偏析处化学成分不均匀，混晶现象难免，碳化物堆积残留奥氏体量增加，从而引起回火不充分。 （3）对力学性能影响，碳化物的不均度是钢的强度及塑性下降。碳化物的体积与碳化物的尺寸有着明显的关系 38，由于细小的碳化物和大颗粒碳化物的形态结构不一样，大颗粒呈正方形，小颗粒呈球形。为了方便研究假设为正方形， ，假设为球形 ，不论哪种模型都可以看出碳3VL43VR化物的体积与尺寸之间存在三次方的关系，由于碳化物的弥散度与碳化物的体积成反比，大的碳化物造成材料中的碳化物的弥散程度急剧下降，相对而言，大碳化物的溶解活性远远低于细小弥散的碳化物。从碳化物与基体接触面积进行分析，假设为球形 ，假设为球形 ，不论是哪种模型都可以看2SL24SR出碳化物的表面积与尺寸之间存在二次方的关系，考虑到相同体积碳化物直径与表面积之间的关系，可以得出碳化物的表面积与尺寸之间成反比，细颗粒碳化物与高速钢基体接触面积大于大颗粒碳化物，假设碳化物的溶解系数相同，也可以看出细颗粒碳化物溶于奥氏体的速度和能力大于大颗粒碳化物。细颗粒碳化物不仅耐热，碳化物活性也好，晶粒细化程度远比大颗粒碳化物的优良，所以在淬火过程中，可以采用较高的淬火温度。合金元素溶于奥氏体的量较多，反而得到相对较为细化的晶粒。淬火后大颗粒碳化物材料的硬度和红硬性都远不及细颗粒碳化物材料的性能 39。大颗粒碳化物的存在，晶粒粗化现象明显，晶粒的粗大，共用晶界的延长，碳化物在晶界的分布对材料的韧性构成挑战，对高速钢的断裂韧性造成致命影响。碳化物的形状、大小、数量是判断淬火温度高低的主要标志，碳化物的颗粒细小、数量多时，淬火温度应该较低，碳化物呈角状、不连续网状或沿晶界呈狐尾状，表明淬火温度过高或有过烧现象。碳化物不均匀分布，增加过热敏感性。因为碳与合金元素富集，降低碳化物堆积处的熔点，造成碳化物堆积处过热、过烧、碳化物的剥落,易引起应力集中，成为裂纹源 40。引起晶粒粗细大小不均，碳化物积聚处有大量未溶解的碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，而此处晶粒更细，非碳化物堆集处的未溶解碳化物数量少，无法阻碍奥氏晶粒长大，则此处晶粒粗大。碳化物不均匀分布使钢的机械性能有明显的各向异性。在高速钢中碳化物的分布愈均匀，钢材的质量性能也就愈好，但在传统工艺生产过程中很难使碳化物分布均匀，而碳化物往往堆积、分布不均匀，这是高速钢常见的组织缺陷，对钢的韧性带来不良的影响。影响碳化物分布不均匀的因素有 41：（1）钢的化学成分（2）生产工艺。钢中的碳化物和合金元素含量越高，碳化物分布就愈不均匀，因为他们含量高时，铸态组织中的共晶碳化物就愈多，莱15氏体网状就愈粗，致使碳化物分布不均匀。工艺因素对碳化物分布均匀性的影响比较复杂，归纳起来有以下两方面：一是铸态组织的偏析程度。在钢液凝固时，冷却速度愈快，莱氏体网愈细，偏析程度愈小，则使钢中的碳化物分布愈均匀。因此钢锭的大小、形状、结晶孕育剂的应用和浇注温度等都会对碳化物分布的均匀性产生影响。二是热加工变形量和方法。其中，变形量起主要作用,变形量愈大，使碳化物分布愈均匀。例如对于尺寸规格小的热轧材和钢丝，因变形量大，碳化物分布很均匀。但对于尺寸规格大的大截面锻材，因钢锭大，结晶组织粗，而变形量又比较小，所以碳化物分布的均匀性一般都较差 42。碳化物分布不均匀和碳化物颗粒粗大，等缺陷均源于钢锭组织的偏析。钢锭在浇注时，钢液的凝固速度较慢，偏析愈严重，则碳化物的偏析就愈严重，中只有加快凝固速度才能减轻偏析，减少钢中碳化物的缺陷 43。传统的铸造生产不论是使用砂型还是金属型都不能彻底的解决偏析问题，经锻造后莱氏体网络已经破碎，但碳化物的直径仍为5mm，大多超过10mm，且是不规则的，分布也不均匀。如图2.2。而当20世纪70年代出现粉末冶金技术，则解决了该问题，用高压氮气将钢液雾化成小液滴，快速冷却成金属粉末，小金属粉末颗粒中没有碳化物的偏析，压成实体材料理论密度可达100%，碳化物接近于球形，并且均匀分布，直径d大多小于1mm，少数达3mm，因此钢的韧性得到极大的提高。如图2.3 44。目前，粉末高速钢只用在最重要的地方 ,而大量使用的仍是传统工艺生产的高速钢。虽然传统工艺生产的高速钢不可避免的存在各种碳化物质量缺陷,但大量的实践研究对这些缺陷已有所认识,在生产中应当注意采取措施，尽量减少碳化物缺陷，提高钢的质量。图2.2铸锻高速钢 图2.3粉末冶金高速钢对于粉末冶金高速钢与铸造高速钢，粉末冶金高速钢中碳化物均匀、细小、无偏析。而铸造高速钢中碳化物均匀程度较低、尺寸较大、有偏析。组织中大块的的碳化物容易导致应力集中，降低韧性，大块碳化物中含有大量的合金元素，降低基体组织中的合金元素，造成回火二次硬化效果减弱，从而使材料的16韧性与硬度下降。2.4 热处理热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一，它它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨性、耐蚀性、韧性等，还可以改善毛坯组织和应力状态，以利于各种冷热加工。例如，齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理齿轮成倍或几十倍的提高。热处理一般不改变工件的形状和整体
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