中国材料科技与设备（双月刊） 热处理对粉末冶金高速钢Ｔ１５碳化物的影响 ２０１１年・第４期 热处理对粉末冶金高速钢Ｔ１ ５碳化物的影响 辛栋梅ｈ，贾贤 ，贾成厂 ，曲选辉 ，钟海林 ，匡星 ，况春江 （１．北京科技大学材料科学与工程学院，北京２．安泰科技股份有限公司，北京１０００８３； １０００８１） 摘要：碳化物是高速钢组织的重要组成部分，其种类和数量对钢的力学性能有重要的影响。本文通过采用物理化学电 解法提取碳化物，用ＳＥＭ对碳化物的形貌进行观察，分别用ＥＤＳ、ＸＩ 测定碳化物的成分和结构，并研究了碳化物对硬 度的影响。结果表明：退火态的碳化物质量百分数为２８．１ ，淬火态的为１８．４ ，而回火态的质量百分数为２４．８ ，回 火态碳化物扫描照片有明显的二次析出相，产生了二次硬化现象，硬度明显升高。 关键词：Ｔ１５高速钢；物理化学相分析；碳化物；金相分析；硬度 中图分类号：ＴＦ１２４．８ 文献标识码：Ａ 试样１：退火态 ０ 前言 随着汽车、航天、航空、军工、信息技术产业、机械 制造业的迅速发展，现代机械加工越来越追求高精度、高 效率、高可靠性和专业化目标，这就需要工具行业提供高 切削性能的刀具，而开发制造刀具的优质材料更显得十分 重要。在这种形势下，粉末冶金高速钢于２Ｏ世纪６Ｏ年代 后期开始研制生产，并在７Ｏ年代投入应用。粉末冶金高速 试样２：淬火态（１２００℃保温２０ｍｉｎ淬火） 试样３：回火态（１２００℃保温２０ｍｉｎ淬火＋５６０℃ｌｈ３ 次回火） １．２碳化物的电解提取方法 将试样加工成为直径为≤１５ｍｍ长度为１００ｍｍ的圆柱 形试样，去除表面氧化层洗净表面后，预电解１２—２０ｍｉｎ， 以消除试样表面的不理想状态。 本文所选用的电解液为１Ｏ％乙酰丙酮，１ 四甲基氯 钢的成功之处在于它彻底解决了传统高速钢碳化物偏析的 问题［１－３］。粉末冶金高速钢的晶粒尺寸一般只有２—３／ｚｍ， 碳化物颗粒则一般在１ ｍ以下。粉末冶钢在同等合金成分 下韧性可以提高５Ｏ 左右，硬度可以提高１一１．５ＨＲＣ，由 于等向性好热处理后一般变形小，不需要再次磨削，表面 状态的改善对刀具寿命的提高极为有利＿４］。 在组织结构上，基体和碳化物是高速钢组织的两大组成 部分。钢材中存在的一次碳化物的类型、数量、分布均匀 化铵甲醇溶液，电流密度为０．０５—０．０８Ａ／ｃｍ２。电解在冰 箱中进行以保证电解温度在一５＂Ｃ左右。淬火态试样电解时 间为４０ｒａｉｎ，而退火态和回火态试样电解时间为１ｈ。 电解结束后，将试样从电解液中取出，依次浸入１ 柠檬酸溶液、水和无水乙醇中清洗试样及电解产物２—３ 次。清洗完的试样经干燥后，将表面的电解产物刮下，此 电解产物即为合金的析出相。 性，颗粒形状、尺寸大小以及二次碳化物的类型、数量等等 都会影响到钢的质量和＿Ｔ具地使用性能＿５］。本文通过采用物 理化学相分析方法研究高速钢Ｔ１５碳化物是十分有意义的。 １．３分析方法 用ＳＥＭ对电解的碳化物形貌进行观察，并用ＥＤＳ对 其成分进行测定。同时用布鲁克１３８型Ｘ射线衍射仪进行 １ 实验及分析方法 Ｌ １实验材料及热处理 高速钢采用真空熔炼后经氮气雾化制粉后，然后热等 静压，其工艺为：温度１１３０℃，保温时间３ｈ，压力 １２０ＭＰａ，冷却：８５０￣７５０℃，１．５ｈＣ 。 实验材料为高速钢Ｔ１５，其化学成分如表１： 表１高速钢ＴＩ５的合金成分 Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ Ｔ１５Ｍ 析出相结构的测定，采用Ｃｕ靶，衍射角度为２Ｏ一１００度， 并用ＡＸＳ—ＩＯ００ＡＫ维氏硬度计测量不同状态的硬度值， 其载荷为５００ｇ，保持时间为１０ｓ。 ２ 实验结果与讨论 电解析出碳化物的总量如表２所示。 析出碳化物的形貌如图１：图ａ为退火态的碳化物， 图ｂ为淬火态的碳化物，图Ｃ为回火态的碳化物。如图所 示，退火态的碳化物表面光滑，碳化物颗粒大小不均，最 元素 Ｃ ｗｔ Ｃｒ Ｖ Ｍｏ Ｗ Ｃｏ Ｆｅ 余 １．６５ ４．５３ ４．９３ ２．０９ １０．１０ ７．６３ 大可达１．５ｕｍ，最小为１５０ｎｍ左右，其总质量百分数为 ２８．１ 。淬火态的碳化物表面也是光滑的，碳化物大小相 比退火态的，大小比较均匀，颗粒为Ｉｕｍ左右，其质量百 本文研究了三种热处理状态的碳化物。其具体热处理 制度为： 基金项目：国家支撑计划“粉末冶金高速钢现代工业制备技术开发”（２００７ＢＡＥ５１Ｂ０５） ＊作者简介：辛栋梅（１９８８一），女，硕士研究生，主要从事粉末冶金高速钢方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｎｄｏｎ￣ｍｅｉｈａｐｐｙ＠１２６．ｔｏｍ ｈｔｔｐ ｜ｊ Ｒ ．ｃｍａｓｔｅｑ．ｃｏｗｌ・８３・ ２０１１年・第４期 技术与研究 中国材料科技与设备（双 分数为１８．４ 。而回火态的碳化物表面吸附了许多小颗 粒，这些小颗粒为二次析出相，由于二次碳化物颗粒细小， 少，至１１５０ ｏＣ以上，溶解量方逐渐增加。ＭＣ碳化 １２００℃之下几乎不溶解，在１２００℃以上才有少量溶解 容易在初次碳化物表面产生团聚现象。初次碳化物尺寸约 为１ｕｍ左右，而二次碳化物为５Ｏｈｍ左右。碳化物质量百 了使基体活得尽可能高的碳与合金度，我们尽量提高 温度，一般距开始融化温度约２Ｏ一４０℃。而在本实验 分数为２８．８ 。 表２电解析出碳化物的总量 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅｓ ａ退火态 一 ｂ淬火态 ｃ回火态 图１ 电解碳化物的形貌特征 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅｓ ａ）ａｎｎｅａｌｅｄ，ｂ）ｑｕｅｎｃｈｅｄ，Ｃ）ｔｅｍｐｅｒｅｄ 根据Ｘ射线衍射图谱可以得知：碳化物主要有三类， 即Ｍ Ｃ、ＭＣ和 。Ｃ６。退火态碳化物主要为ＭｓＣ型和 ＭＣ型碳化物，还有部分Ｍｚｓ 型碳化物，其中ＭｓＣ型碳 化物为Ｆｅ。ｗ。Ｃ，Ｍ 。（二６型碳化物为Ｃｒ２３Ｃｅ，ＭＣ为ＶＣ。 淬火态碳化物主要有ＭｓＣ、ＭＣ。但是在淬火态ＭｓＣ减 少，ＭＣ数量增加，同时Ｃ 消失。而回火态碳化物也 主要是Ｍ Ｃ、ＭＣ型碳化物，这就证明二次析出相为 Ｍ６Ｃ、ＭＣ型碳化物。 在退火保温过程中，细小的碳化物与基体铁素体一起 转变成奥氏体。当温度超过Ａｃｌ（ｆ）时，少量的共析碳化 物也将溶入基体中。而在钢冷却过程中，当温度到Ａｒ（ｓ） 以下时，开始发生共析转变，在Ａｒ（ｆ）完成。其主要碳 化物可以充分的析出，其碳化物总量达到２８．１％。有报道 记载，ＶＣ的熔点２７５０℃，硬度２０１０ＨＶ；Ｃｒ２３ Ｃ６熔点约 １５５０￣Ｃ，硬度１３００Ｈｖｃ ］。Ｍｚ３ Ｃ６碳化物在９００℃开始溶 解，１１００℃时基本溶完。ＭｓＣ碳化物在次温度下溶解甚 用了１２００℃的淬火温度。在淬火加热过程中，随着温 升高，Ｍ∞（二６首先开始溶解，然后Ｍ Ｃ溶解，最后当 达到１２００℃时，Ｍｚ。Ｃｓ溶解完全，ＭｓＣ溶解一部分 ＭＣ几乎没有溶解。在快速冷却时，碳化物来不及 因此只有两种碳化物，且碳化物含量降低。在回火时 氏体分解析出了细小弥散的二次碳化物，同时发生了 奥氏体转变，因此碳化物含量比淬火态碳化物有所提 ２ ｅ ａ退火态 血 ４０ ８０ ８０ ２ Ｏ ．ｃ回火态 图２不同热处理状态碳化物的Ｘ射线衍射图谱 Ｆｉｇ．２ Ｘ～ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅｓ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ ａ退火态 ｂ淬火态 ｃ回火态 图３不同热处理状态下的合金组织 Ｆｉｇ．３ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｌｏｙｓ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒｅ 图３为三种状态的式样经磨光、抛光后的ＳＥＭ ｊ 同时采用ＥＤＳ测量其碳化物成分。有图可以看出退火 速钢有三种碳化物，而淬火态和回火态高速钢有两科 物。根据成分分析可知：白色为ＭｅＣ，灰色为ＭＣ， 为Ｍｚ。 。而碳化物颗粒细小，尺寸在１５０ｎｍ至１．５Ｉ 中国材料科技与设备（双月刊） 热处理对粉末冶金高速钢Ｔ１５碳化物的影响 而回火态碳化物表面吸附有二次碳化物。 ２０１１年・第４期 间，分布均匀，外形成球形或椭球形。退火态明显比淬火 态和回火态碳化物多很多。而回火态比淬火态的碳化物多。 这与我们物理化学分析法分析的结果相对应，同时可以证 明我们物理化学相分析实验方案的可行性。 表３三种碳化物的化学成分，ｗｔ％ Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｃａｒｂｉｄｅｓ ２．碳化物主要有ＭｅＣ、ＭＣ和Ｍ２ｓ Ｃ６三种，淬火态和 回火态只有Ｍ Ｃ、ＭＣ两种碳化物，而退火态还有少量的 Ｍ２。Ｃ６碳化物。 ３．图像分析法结果与电解得到的碳化物的分析结果相 一致。 ４．回火态由于二次碳化物的析出，产生了弥散强化的 作用，其维氏硬度比淬火态的硬度高达３ｏ 。 参考文献： Ｅｌｉ国家自然科学委员会工程与材料科学部．学科发展研究报 表４是三种热处理状态的维氏硬度。经过淬火后，由 于马氏体的出现，其硬度明显比退火态的硬度高很多，而 淬火后三次回火后，由于二次碳化物的析出，产生弥散强 化作用，其硬度增大。 表４三种热处理状态的维氏硬度 Ｔａｂ．４ Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ａｌｌｏｙｓ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ 告（２００６年－－２０１０年）冶金与材料制备工程科学［Ｍ］．北京：科 学出版社，２００６ Ｅ２］吴元昌．粉末冶金工具钢生产的新发展Ｉ－ｊ］．粉末冶金工 业，１９９９，９（８）：２５—２８ ［３］韩凤麟．２００２年中国粉末冶金零件工业的发展口］．粉末 冶金工业，２００３，１３：２３—２６ ［４］肖纪美．高速钢的金属学问题［Ｍ］．北京：冶金工业出 版社，１９７６ ７—１７ ［５］邓玉坤．高速工具钢［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社，２００２ ［６］阎复原，王洪海，何如松．Ｔ１５粉末高速钢热等静压工艺 的研究［Ｊ］．粉末冶金技术，１９９１．１４６—１４９ ［７］俞宝罗．合金钢和高温合金［Ｍ］．北京：国防工业出版 ３ 结论 １．采用物理化学分析法得到的碳化物颗粒的尺寸在 １５０ｎｍ￣１．５＃ｍ之间，退火态和淬火态碳化物表面光滑， 社，１９８１． ［８］Ｐａｙｓｏｎ Ｐ．Ｔｈｅ Ｍｅｔ．ｏｆ Ｔｏｏｌ Ｓｔｅｅｌｓ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆Ｓｏ ｓ＿ＩＮＣＮ ．Ｙｏｒｋ。Ｌｏｎｄ。 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ Ｃａｒｂｉｄｅｓ ｉｎ Ｐ／Ｍ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔ１５ Ｘ，Ｎ Ｄｏｎｇ— ¨， ＬＡ Ｘｉａｎ ， ＪＡ Ｃｈｅｎｇ－－ｃｈａｎｇ ，ＱＵＸｕａｎ－－ｈｕｉ ，ＺＨＯＮＧＨｎ —Ｚ ，ｚ ， Ｋ ＮＧ Ｘｉｎｇ ，Ｋ ＮＧ Ｃ ７２一 ｉａｎｇ０ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵＳＴＢ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｒｂｉｄｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｉｌｌ ａｆ— ｆｅｃｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅ１．Ｃａｒｂｉｄｅ ｗａｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ．Ｃａｒｂｉｄｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ＳＥＭ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ＥＤＳ，ＸＲＤ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ａｎｎｅａｌｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ、ｑｕｅｎｃｈｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｗａｓ ２８．１ 、１８．４ 、２４．８ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃａｒｂｉｄｅ ａｄｓｏｒｂｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｗａｓ ｓｈｏｗｅｄ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔ１５ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｃａｒｂｉｄｅ；Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｈｔｔｐｔ｜ Ｒ ．ｃｍａｓｔｅｑ．ＣＯＴＩ￣・８５・
