含钴高性能高速钢回火组织和性能演变研究

摘要

高速钢是机械加工制造业的基础原材料之一，广泛应用于高速切削工具、高载荷精密模具、航空高温轴承等重要领域。随着现代机械加工制造业的发展，切削加工速度和精度不断提高，对高速钢材料的高温性能特别是红硬性提出了更高要求。高速钢中添加非碳化物形成元素Co，有助于提升高速钢的红硬性，据此开发出含Co高性能高速钢。目前关于Co对高速钢红硬性的影响作用机制尚不明晰，无法为寻找可替代Co的理想合金元素提供科学依据。本课题以含Co高性能高速钢为对象，研究含Co高速钢回火组织和合金碳化物演变规律，以期阐明非碳化物形成元素Co对高速钢红硬性的作用机理，从而为优化高速钢成分设计、开发高温性能优异的高性能高速钢提供理论支撑。
　　研究结果表明，高速钢回火过程存在二次硬化现象，550℃回火后硬度达到峰值，温度继续升高，硬度反而下降。高速钢回火过程硬度变化与合金碳化物的析出行为紧密相关。550℃回火后，组织中析出大量的纳米级、多组分合金碳化物MC和M2C，二者均含有W、Cr、Mo、V、Fe等合金元素。其中，MC碳化物呈圆片状，具有面心立方晶体结构，与基体之间满足Backer-Nutting取向关系，即(100) MC‖(100)α;M2C碳化物呈长条状，具有密排六方晶体结构，与基体之间满足Pitch-Schrader取向关系，即(0001) M2C(‖)(011)α。碳化物与基体之间具有共格或半共格取向关系，起到析出强化作用，提高了高速钢硬度。随着回火温度升高，MC和M2C合金碳化物尺寸发生长大，碳化物与基体之间为非共格关系，析出强化作用消失、硬度下降，但其与基体的取向关系不变。MC结构稳定，回火过程中不发生结构转变。与MC不同，M2C碳化物在高温回火时还将发生结构转变，形成M6C和M23C6碳化物。
　　Co提高高速钢回火硬度峰值，并在一定程度上减缓过回火阶段的硬度下降速率。Co促进碳化物回火析出，增加碳化物析出数量，从而使回火硬度升高。Co影响峰值处析出的合金碳化物成分，使W、Mo含量略为降低，Fe、Cr含量上升，有利于降低碳化物形核势垒，促进碳化物析出。相同热处理条件下，Co能减小MC和M2C合金碳化物的尺寸，有利于碳化物与基体之间共格关系的维持，对提高高速钢硬度和红硬性有利。
　　等温回火研究结果表明，回火初期硬度急剧下降，回火后期硬度下降缓慢。等温回火初期，合金碳化物MC和M2C尺寸迅速长大，与基体共格关系丧失，导致硬度下降。在合金碳化物长大过程中，合金元素在MC、M2C和基体中的含量发生变化，合金元素存在重新分配现象，对碳化物的长大过程产生影响。非碳化物形成元素Co虽然不参与形成合金碳化物，但会影响合金元素在不同物相中的重新分配，进而影响合金碳化物的长大过程:回火初期，Co促进Fe元素富集于碳化物，有利于降低碳化物形核势垒，促进碳化物析出;回火后期，Co促进Cr、V元素富集于碳化物，在一定程度上降低了碳化物长大速率，抑制了碳化物粗化。
　　Co之所以能提高高速钢红硬性，一方面是由于Co影响碳化物析出过程，提高碳化物析出数量，从而使碳化物析出强化效果增强，回火硬度升高;另一方面，Co的加入改变了合金元素的回火相分配行为，降低了碳化物的长大速率，延长了碳化物析出强化效应，减缓了硬度下降趋势。因此，在选择替代Co的最佳元素时，需要考虑该元素对碳化物析出和碳化物长大的作用，选取能同时促进碳化物析出和抑制碳化物长大的元素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高速钢的生产与发展

1．1．1 高速钢发展历史

1．1．2 高速钢的生产流程

1．1．3 高速钢发展趋势

1．2 高速钢的成分、组织与性能

1．2．1 高速钢的性能特点

1．2．2 高速钢合金化

1．2．3 高速钢的组织

1．3 高速钢的热处理与组织转变

1．3．1 高速钢的退火

1．3．2 高速钢的淬火

1．3．3 高速钢的回火

1．4 Co在高性能高速钢中的应用

1．5 合金碳化物的长大行为

1．5．1 第二相的Ostwald熟化理论

1．5．2 合金碳化物粗化研究

1．6 课题研究背景与内容

1．6．1 课题研究背景与意义

1．6．2 课题研究内容

第二章 研究路线及方法

2．1 研究路线

2．2 实验材料

2．3 实验样品制各

2．3．1 实验热处理工艺

2．3．2 SEM微观组织样品制作

2．3．3 TEM金属薄片样品制备

2．3．4 TEM碳复型样品制备

2．4 实验分析方法

2．4．1 硬度性能测试

2．4．2 碳化物形貌观察、尺寸统计

2．4．3 碳化物结构、成分确定

第三章 含Co高速钢回火二次硬化与合金碳化物演变

3．1 高速钢回火二次硬化现象

3．1．1 实验样品

3．1．2 回火硬度变化

3．2 高速钢回火组织演变

3．2．1 金相组织和SEM微观组织

3．2．2 回火组织演变TEM分析

3．2．3 二次硬化峰值温区合金碳化物析出行为

3．2．4 过回火阶段合金碳化物演变行为

3．2．5 合金碳化物与基体取向、共格关系及过回火过程中变化

3．3 Co对高速钢回火组织演变的影响

3．3．1 含Co高速钢回火金相组织和SEM组织

3．3．2 含Co高速钢回火组织演变TEM分析

3．3．3 Co对二次化峰值温区合金碳化物析出行为的影响

3．3．4 Co对过回火阶段合金碳化物演变行为的影响

3．4 本章小结

第四章 含Co高速钢合金碳化物粗化行为研究

4．1 高速钢等温回火硬度变化曲线

4．2 高速钢等温回火过程合金碳化物粗化行为

4．2．1 微观组织演变

4．2．2 合金元素的相分配

4．2．3 高速钢合金碳化物粗化行为分析

4．3 钴对合金碳化物粗化的影响

4．3．1 微观组织演变

4．3．2 合金元素分布变化

4．3．3 含Co钢合金碳化物粗化行为分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢