工具钢热处理工艺

（ 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 组织与性能的关系。

铸态的高速钢的显微组织黑色组织为S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860〜880C，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：860〜880C加热3〜4小时，炉冷到700〜750C 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 T〜1290 E，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1240E〜1260E时，碳化物大部分未溶入奥 氏体，

,显微

晶粒度为11〜12级。硬度62〜63HRC当淬火温度过高，在1300C〜1310C 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1320C 左右时，晶界开始熔化，出现共晶莱氏体和S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240〜280T左右，其组织为40〜50%F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 560〜570T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%勺未转变，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 560C，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勺金相试样一套；

2) W18Cr4V§不同温度淬火一回火的硬度试样一套。 3) W18Cr4V§不同温度回火的硬度试样一套。

四、 实验内容

1．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。

2.硬度测试：不同淬火温度的 W18Cr4V式样，相同淬火温度不同回火温度

的W18Cr4V式样。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 2 9CrSi 淬火+回火 回火马氏体+颗粒状碳 化物渗碳体 3 4 W18Cr4V 铸态 退火 共晶莱氏体+黑色组织 +马氏体+残余奥氏体 索氏体+碳化物 3%硝酸酒精溶液 3%硝酸酒精溶液 3%硝酸酒精溶液 材料名称 处理工艺 显微组织 浸蚀剂 5 1280 C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 7 1280 C淬火 560 C 回火三次 Cr12MoV 退火 淬火+回火 回火马氏体+碳化物+少 量残余奥氏体 索氏体+碳化物 隐晶马氏体+碳化物 3%硝酸酒精溶液 3%硝酸酒精溶液 3%硝酸酒精溶液 8 表2 W18Cr4V高速钢不同温度淬火后的金相试样

淬火温度/ c 1 1220 显微组织 隐晶马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物 （奥氏体晶粒不明显、碳化物极少部分溶入奥氏体） 隐晶马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物 （奥氏体晶粒细小、碳化物大部分未溶入奥氏体） 2 1240 3 4 5 6 7 8 1260 1280 1290 1300 1310 1320 隐晶马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物 （奥氏体晶粒小、碳化物部分未溶入奥氏体） 隐晶马氏体（60〜70%） +残余奥氏体（25〜30%） + 10%未溶碳化物 隐晶马氏体（65〜72%） +残余奥氏体（20〜30%） +8%未溶碳化物 隐晶马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物 （奥氏体晶粒粗大、碳化物数量小于 5% 隐晶马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物 （奥氏体晶粒异常长大、碳化物聚集到晶界、呈角状） 晶界开始熔化、出现共晶莱氏体和3共析相 五、实验报告与综合分析

1. 实验目的。

2. 画出所观察试样的显微组织示意图，并标明材料、状态、显微组织、腐 蚀剂、放大倍数。

3. 绘出高速钢的硬度与不同淬火加热温度，以及不同回火温度的关系曲线。 4. 根据成分特点，以高速钢为例对热处理工艺一组织一性能进行系统分析。 (1) 通过对 W18Cr4V各种状态显微组织的观察，在组织上如何区别铸态和 过

烧组织、退火和回火组织、不同温度的淬火组织、充分回火与不充分回火的组 织，并进行分析其原因。

(2) 高速钢 W18Cr4V的AC在800 C左右，但淬火加热温度一般在

1250~1280C，淬火加热温度为什么这样高？

(3) 高速钢在淬火加热时，有可能会产生欠热、过热和过烧现象，根据金 相组

织上的特征，进行分析？

(4) W18Cr4V在 560E长时间一次回火，是否可以代替 3次回火？

表3 硬度与淬火温度关系表 淬火温度/ c 1220 1240 1260 1280 硬度 淬火温度/ c 1290 1300 1310 1320 硬度 表4 硬度与回火温度关系 回火温度/ c 淬火温度 / c 200 300 400 500 硬度/ HRC 570 600 650 1240 1280 1310