高速钢软化新工艺开发模板.doc

南 京 工 程 学 院
毕业设计说明书(论文)

作 者： 张宸来 学 号：
系 部： 材料工程学院
专 业： 金属材料工程
题 目： 高速钢软化新工艺开发

指导者： 蔡璐 副教授
(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)

年 6月 南 京

毕业设计说明书（论文）汉字摘要

W18G4V钢中合金元素含量很高，尤其是钨含量高达18%，钢中合金碳化物数量很多且不均匀性较严重。合金碳化物在正常热处理温度下不能完全溶解到奥氏体中去，所以不能靠正常热处理方法来使碳化物分布均匀，只有经过锻，轧等压力加工方法，才能将粗大碳化物击碎，使其分布均匀。铸造后毛胚硬度很高，通常在60HRC以上，无法进行机械加工，所以需要采取软化工艺。传统软化工艺关键为等温球化退火，工艺周期较长，能源消耗大。经过对多个新型软化工艺尝试，包含水瀑退火，循环球化退火，水退火，高温回火等四个工艺，对组织和硬度分析，确定了采取循环退火工艺，硬度能够降低到30HRC左右，能很好地进行切屑加工，同时能够有效缩短热处理时间。

关键词 W18G?4V钢；新工艺；软化；组织；硬度

为降低高速钢硬度，在切削加工前要进行软化处理。传统软化工艺关键为等温球化退火，工艺周期较长，能源消耗大。本课题努力争取经过对新型软化工艺尝试，确定节能优化工艺。为此进行了水瀑退火，循环球化退火，水退火，高温回火四个工艺试验研究，对多种工艺组织和硬度进行了分析。试验结果表明：最好软化工艺为高温回火，新工艺和传统工艺相比周期缩短……，其组织和硬度全部能够达成加工要求。循环退火一样能够满足要求，在设备许可条件下，含有很好应用价值。

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title W18G4V steel to soften the development of new technology

Abstract
There is high content of alloying elements in W18G4V steel, In particular, tungsten content of up to 18%. Carbide alloy steel and uneven number of much more serious nature. Carbide alloy heat treatment temperature in the normal can not be completely dissolved into the austenite to go, so can not rely on the normal heat treatment to make the carbon distribution is only through forging, rolling and processing methods such as pressure, can be coarse carbide crushed, so that distribution. Blanks after forging is very hard, generally more than 60HRC, can not be machined, so they need by softening process. Softening process is mainly the traditional isothermal annealing, longer process cycle, energy consumption. Through the softening process of several new attempts, including the Cascade annealing, cyclic annealing, water, annealing, tempering the four processes of the organization and hardness were determined by cyclic annealing process, the hardness can be reduced to 30HRC so, can well be the chip processing, and can effectively shorten the treatment time.

Keywords W18G4V steel; new technology; softening

目 录
第一章 绪论 2
1.1 W18Cr4V钢性能特点 2
1.1.1化学成份特点 2
1.1.2组织结构特点 3
1.1.3 W18Gr4V钢退火过程中组织转变 3
1.2 W18Gr4V钢软化传统工艺 3
1.2.1 等温球化退火 3
1.2.2现在存在问题 4
1.3 W18Gr4V钢软化新工艺 4
1.3.1循环球化退火工艺 4
1.3.2水退火法 5
1.3.3水瀑退火 5
1.3.4高速钢快速退火工艺 5
1.3.5高速钢高温回火工艺 5
1.4.钢软化机理 6
1.4.1 铁素体基体相软化 6
1.4.2粗化碳化物颗粒，降低退火硬度 6
1.5硬度和切削性能 7
1.5.1易切削机理 7
1.5.2 组织和切削 7
1.5.3硬度和切削 8
第二章 试验材料和试验方法 10
2.1试验材料 10
2.2试验方案 10
2.3试验设备 11
第三章 新工艺开发研究 12
3.1 新工艺研究 12
3.1.1循环球化退火工艺 12
3.1.2 水退火工艺 15
3.1.3 高温回火工艺 17
3.1.4 水瀑退火工艺 21
3.2热处理参数对于材料硬度影响 22
3.2.1 温度影响 22
3.2.2 冷却方法影响 23
3.3相关碳化物研究 23
3.4相关晶粒研究 24
3.5相关位错研究 25
3.6切削性能试验 26
3.6.1相关切削性能研究 26
3.6.2 试验和结果 26
第四章 结论 27
参考文件 28
致谢 30

序言
W18Gr4V钢是钨系高速钢经典钢种，它是一个历史最久，应用最广通用型高速钢.W18Gr4V钢中合金元素含量很高，尤其是钨含量高达18%，钢中合金碳化物数量很多，碳化物不均匀性较严重。高速钢中合金碳化物，在正常热处理温度下，不能完全溶解到奥氏体中去，所以不能靠正常热处理来是碳化物分布均匀，只有经过锻，轧等压力加工方法，才能将粗大碳化物击碎，使其分布均匀。所以高速钢铸造目标，不单是为了取得一定集合尺寸毛坯，也是为了消除碳化物不均匀现象。所以高速钢必需经过铸造，且应严格控制铸造工艺。铸造后毛坯必需经过退火，以降低硬度，消除应力。传统工艺热处理时间太长，造成人员，设备，能源浪费。
现在，中国外已经出现不少对W18Gr4V钢软化工艺研究，也取得了一定成功，本课题经过在研究已经有软化工艺上，尝试多个新奇软化工艺，目标在于缩短工艺周期，降低能源消耗。这是在生产实践上进步尝试，也是追随发展经济节省型，可连续发展型工业步伐表现。
本文关键对W18Gr4V钢热处理软化工艺，热处理后组织，硬度，切屑性能研究和介绍。

第一章 绪论补充研究意义
1.1 W18Cr4V钢性能特点
1.1.1化学成份特点下表不能复制

W18Cr4V 中关键含有碳、钨、铬、钒等元素, 各元素在高速钢中作用各有不一样。若含碳量太低, 则降低了高速钢硬度、红硬性和耐磨性；若含碳量偏高, 则硬度和红硬性有所提升, 同时使碳化物不均匀性增加, 使钢塑性降低, 工艺性能变差；若再提升含碳量, 则使熔点过分降低, 迫使淬火温度下降过甚, 使钢红硬性和机械性能全部下降。在钢中,碳质量分数为0. 70% ～0. 80% , 它首先要确保能和钨、铬、钒形成足够数量合金碳化物,又要有一定碳量溶于奥氏体中,使淬火后取得碳含量过饱和马氏体,以确保高硬度和高耐磨性,和良好热硬性。钨是影响高速钢红硬性关键元素, W18Cr4V钢在退火状态下钨和钢中碳形成合金碳化物Fe4W2C, 淬火加热时,一部分Fe4W2C溶入奥氏体,淬火后形成含有大量钨及其它合金元素,有很高回火稳定性马氏体。 在560℃回火时钨又以W2C形式弥散析出,造成二次硬化现象,使钢含有高热硬性,未溶合金碳化物起阻碍奥氏体晶粒长大及提升耐磨性作用。钨作用和钒含量有一定关系,当含钒量较低时(如1%～1.2%), 红硬性和切削性能随钨量增加而增加, 含钨量达成18%, 其性能最好；钨可强烈降低钢导热系数, 所以高速钢加热和冷却必需缓慢进行；钨还能够增加钢淬透性, 但比铬小, 钨使碳化物不均匀性增加。加入铬关键作用是提升淬透性, 高速钢在淬火加热时, 铬几乎全部熔入奥氏体中, 奥氏体稳定性得以提升, 增强了钢淬透性, 4%铬能充足满足高速钢对淬透性要求；铬还能提升钢抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钒和钨一样, 也是影响高速钢红硬性元素之一, 但二者不能相互替换, 钒弥散硬化作用比钨强烈, 而熔入固溶体钨, 则可提升马氏体回火稳定性, 钒也能提升马氏体分解温度, 但作用不如钨突出；伴随钒含量增加, 则红硬性和耐磨性提升。钼和钨是同族元素, 在高速钢中, 钼在提升钢硬度、造成二次硬化、提升红硬性和淬透性方面作用全部和钨相同[16]。和试验结果相关内容移动到后面
1.1.2组织结构特点
W18Cr4V钢铸态组织中有大量莱氏体[17],莱氏体中有粗大、不均匀分布鱼骨状碳化物,这些碳化物存在造成高速钢在使用中轻易崩刃和磨损. 而这些粗大碳化物不能用热处理方法消除,只能用铸造方法将其击碎,并使它均匀分布,再用来制造多种刃具和模具.
高速钢铸造以后必需经过球化处理, 其目标不仅在于降低钢硬度, 以利于切削加工, 也为以后淬火做好组织准备。另外, 返修工件在第二次淬火前也要进行球化退火, 不然, 第二次淬火加热时, 晶粒将过分长大而使工件变脆, 高速钢退火后取得球状碳化物和回火索氏体组织。
1.1.3 W18Gr4V钢退火过程中组织转变
锻轧后缓冷组织加热到退后温度时，珠光体转变为奥氏体，共晶莱氏体中珠光体也转变成奥氏体，二次碳化物少许溶解，共晶碳化物少部分溶解。在随即等温冷却或缓冷过程中，奥氏体将转变为球状珠光体。高速钢球化退火后组织为较大初生（共晶）碳化物和二次碳化物，分布在细粒状珠光体基体上。
假如锻轧后冷却较快，则在退火加热过程中，马氏体和残余奥氏体将发生回火转变，伴随温度升高，将依次转变为回火马氏体→回火屈氏体→回火索氏体→回火珠光体[13]，加热温度超出Ac1后，回火珠光体转变为奥氏体，加热状态组织仍为奥氏体，二次碳化物及共晶碳化物。
1.2 W18Cr4V钢软化传统工艺
1.2.1 等温球化退火

删除上图，工艺图不能扫描，自己画。注意钢号错误，下同。W18Gr4V通常采取二级等温退火工艺，这么能够缩短球化退火时间。第一级退火温度选择在比Ac1高30～50℃，在此温度下片状或大颗粒碳化物断裂为很多细小点状碳化物，弥散分布在奥氏体基体上。加热温度不宜超出880℃.不然，奥氏体含碳量和含合金量增加，造成奥氏体在珠光体区域冷却是稳定性增大，不能充足进行珠光体转变，使退火后硬度偏高。第二级退火选择在C曲线拐弯处，约740至750℃，此时奥氏体最不稳定，最轻易进行珠光体转变。
经过球化退火后金相组织，是细小球状碳化物均匀分布在索氏体基体上。钢硬度为HB207-255，适合于机加工[1]。
1.2.2现在存在问题
作为轧制或铸造毛坯件和大件，对脱碳和氧化要求不严，此工艺尚可适用但碰到不许可氧化脱碳半成品退火件，就必需装箱退火尤其是对于高速钢刀具，此措施就显得工时长，能耗大，准备工作麻烦，光亮度难确保，变形也大[1]。
长时间退火将会影响高速钢淬火硬度、二次硬度和红硬性，尤其是850～880 ℃温度范围较长时间退火将使高速钢性能恶化[2]。
1.3 W18Gr4V钢软化新工艺
把条件不含有新工艺放在这里，下面和你工艺相关放在第3章。
1.3.1循环球化退火工艺
循环球化退火是将钢加热到略高于Ac1点短时保温，再转入低于Ac1温度等温、并依次循环三次，就得到了满意组织和适宜软化效果。在760℃短时(1O～15分钟)等温，不仅析出点状碳化物，而且棱角状碳化物也有自发向球状碳化物转化趋势，尖角处溶断，使曲率变小，系统自由能降低。高速钢中含有大量合金元素，这些元素在奥氏体中扩散很慢，加之，850℃ 和760℃保温时间全部很短，所以析出点状碳化物后，不会发生聚集及长大[2]。
1.3.2水退火法
加热温度比相变点大约低100℃左右（切不可比相变温度高），加热10min以上，然后放入水中急冷，水中冷却时间1～2min。W18Gr4V加热温度为790℃，经此处理后，硬度到在30HRC以下（即使原来HRC＞60），可进行切削加工。水退火法很适适用于单件小批量生产，加热宜用盐浴炉，水冷可用自来水[4]。
1.3.3水瀑退火
高速钢工件在盐浴炉加热至该钢下临界温度Acl十(20～30) ℃，保温0.5～0．7min／mm。保温后在沸水中冷2～4s。出水空冷。属亚温两相区加热，水爆使部分奥氏体转变为低碳马氏体，部分奥氏体转变为索氏体和保留少许未溶铁素体，硬度3l～ 39HRC．适宜冷切削加工[4]。
1.3.4高速钢快速退火工艺
高速钢快速退火也能够称作为高温退火，能够大大缩短退火周期，提升退火质量，高温退火方法加热温度为Ac1f + (10~20)℃格式有问题，即退火温度由一般退火840～860℃提升到880～920℃。老退火方法在Ar1点以下保温，即使保温时间长，但也不能进行充足再结晶，刚才不能充足软化，高温退火时保温温度在Ar1点以上，相变能够瞬时完成，相变进行得很充足，进行了完全再结晶，所以钢材充足软化。
高温退火工艺保温时间大大缩短，冷却阶段保温时间也几乎被取消，所以退火周期大大缩短。高温退火钢材退火硬度更低，切削加工性愈加好[4]。
1.3.5高速钢高温回火工艺
高速钢在550℃左右回火会出现硬度上升现象，而当回火温度高于550℃时候，硬度会伴随回火温度上升而下降，而碳化物含量也会伴随温度升高和时间延长而增加，综合考虑，且本着和水退火工艺相比较目标，将工艺定为790℃保温1小时后空冷。
1.4.钢软化机理
钢退火软化需从铁素体基体软化和碳化物球化、粗化两方面进行[12]。
1.4.1 铁素体基体相软化
钢经球化所得粒状珠光体，是分布在铁索体基体上颗粒状碳化物机械混合物．其硬度关键取决于铁索体基体相和碳化物相各自硬度和相互作用结果．退火状态a—Fe硬度约80HB，而退火后各类钢硬度通常在130～260HB范围，比a-Fe硬度增值50～180HB．这一增量是固溶强化、弥散强化、细晶强化等强化原因造成．按强化和硬化反方向进行操作，就能够使钢软化．
测量钢布氏硬度是在常温下进行．这时钢塑性变形方法关键是滑移。晶体滑移是位错运动结果。钢中显微和超显微组织结构对位错运动形成有效障碍，需消耗很大外力，使钢硬化，相反，若降低或拆除部分障碍，则可使钢变软。
钢中阻碍位错运动障碍物按其几何尺寸能够分为：(1)0维障碍物，置换或间隙溶质原子；(2)1维障碍物，位错；(3)2维障碍物，晶界、相界、孪晶界；(4)3维障碍物，第二相质点．
实现铁素体基体相软化，需降低合金元素和杂质元素原子固溶强化作用；需降低位错密度；需粗化晶粒，降低相界面积等。
1.4.2粗化碳化物颗粒，降低退火硬度
粒状珠光体除铁素体硬度外，碳化物形态、数量、大小、分布对退火硬度起着关键作用。如伴随含碳量提升，热轧钢材抗拉强度从10#钢300MN／m2急剧提升到共析钢800MN／m2，表现出碳化物对铁素体基体强化作用。所以，降低钢中碳化物数量，并使碳化物球状化、粗大化是降低硬度有效路径。
钢中碳化物，尤其是特殊碳化物，含有极高硬度，属于不变形第二相粒子。钢在外力作用下变形时，需消耗足够大切应力，在第二相粒子周围形成位错圈，切应力(τ)和第二相粒子间距(L)成反比，即τ=Kb／L×ln(r1／b)，式中K为常数，b为位错柏氏矢量, r1为滑移面和第二相相交截面半径。可见第二相颗粒尺寸越大，所占体积分数越小，则硬度越低。当颗粒体积分数相同时，颗粒半径越大．则硬度越低。可见使碳化物颗粒粗化，可降低硬度，软化钢材。
1.5硬度和切削性能
1.5.1易切削机理这段和本课题无关，删除
提升钢切削性能常见方法是加入一个或多个易切削元素(如C、P、S、Pb等),在钢中形成有利夹杂物,各类夹杂物以多种形状分布于基体中,在切削过程中因为切削力作用,尤其是材料在弹性变形范围内,将引发应力集中,同时夹杂物阻碍位错运动,使塑性变形困难,将在夹杂物端部产生附加应力,造成列纹产生。另外,因为位错运动受阻,剪切变形被限制在较小局部范围,使剪切角增大,降低切削力。。
1.5.2 组织和切削
从组织来讲，马氏体（淬火组织）和奥氏体最难切削。马氏体组织因过于硬难切削，奥氏体组织则因软且粘而难切削。和此相比，粒状组织（索氏体）和粗珠光体组织轻易切削。所以，高碳钢和高碳特殊钢，可经过球化处理使其变成粒状组织。
据资料所显示，假如组织是片状珠光体+等轴状铁素体，分布均匀，晶粒度7~8级。在这种条件下进行剪切，塑性好铁素体首先发生位错滑移，和滑移方向相近珠光体片层也接着发生转动，这么便发生形变强化，在剪切应力继续作用下，晶粒成为纤维状，最终发生撕裂，形成带状切屑，加工过程较平稳。在片状珠光体十等轴状铁素体金相结构中，伴随珠光体数量增加，塑性降低，粘刀现象对应降低，切削粗糙度值也就降低。当金相组织分布不均匀时，局部区间铁素体密集，就轻易在此切削区产生粘刀现象，从而增大粗糙度值。金相组织分布严重不均匀时，还会引发硬度不均匀。当晶粒越小，数量越多时，即硬度越高，阻碍滑移障碍物就越多，强度和韧性就越高。球状珠光体韧性较高，不象片状珠光体有各向异性[18]。
切削条件和金属材料性能不一样，则切屑形状、尺寸、颜色及其变形程度也不一样。材料强度、硬度、金相组织、化学成份等原因全部影响屑形和变形。所以从切屑形状能够推断出材料硬度高低，切屑形状有多个：带状切屑、发条状切屑、弧形切屑，单元切屑、针状切屑、崩碎切屑等等[19]。通常能够简单地认为，材料硬度越高，切屑越细小，当硬度逐步降低时，切屑逐步展现块状。
1.5.3硬度和切削
材料通常被认为硬所以难以切削。所以，要求进行退火使之软化。确实，硬材料难切削，不过，难切削还是易切削不单纯取决于硬度高低所以一用刀具来切削，是因为刀具硬度比被切削钢硬缘故，这种硬度差异是表示切削难度程度大致标准。所以，硬度之差越大，越易切削，换句话，犹豫道具硬度大致是60～65HRC，所以被切削钢越软越轻易切削，不过，材料过于软反而难切削，正像竖起来粘糕比硬蜡烛难切削一样。通常地说，极软钢因过软而难切削，那是因为像粘糕似，因为粘缘故，半硬钢比极软钢硬，所以轻易切削，硬钢最硬钢，则因过硬反而难切削。总而言之，可切削性和硬度关系极为亲密。通常认为，最轻易切削硬度是HB187～229，所以，对于0.3℅C以下软钢可进行正火将其硬度控制在这一范围之内。对于这种钢不能够退火，因为退火会过软；相反，对于0.3℅C以上钢则进行退火才能变得轻易切削（HB200左右）。
另外，晶粒越粗大，越轻易切削。其原因之一是晶粒粗比晶粒细软。
钢硬度高,塑性变形差,切削阻力大,如4钢硬度为44 HRC,较正火状态下单位切削阻力高35%。因为切削阻力大切削温度高,如硬度为44 HRC 45钢切削温度比正火状态下高45%左右,这么使刀具磨损加剧。
总而言之，钢课切削性能够用硬度作为大致标准，以不过于硬，不过于软适宜硬度（HB187～229）为最好。其次是组织，以粗珠光体和粒状组织为好，奥氏体组织不好[20]。
那么，到底极限是能切削全部多高硬度钢材呢？通常来说，为HB350文件？（HS50），今年硬质合金工含有了发展，硬度在HS80左右钢材也能够切削。

第二章 试验材料和试验方法
2.1试验材料
试验所用材料是铸造后未经任何热处理W18Cr4V钢，其化学成份和临界温度以下：

表2不能粘贴 W18Cr4V钢化学成份和临界点
所给原材料为一圆形柱体，首先要进行切割和打磨，材料原始硬度经测量是65HRC，硬度较高，不能直接切屑加工。
2.2试验方案
现在，中国外已经有不少相关W18Cr4V钢软化工艺，大部分全部能把硬度降低到30HRC以下，但通常全部需需耗较长时间，需要较多能源；新开发工艺往往效果不如理想。本试验是期望经过掌握了软化机理，改善传统工艺基础上，尝试多个周期较短，或能耗较少工艺，使材料取得最软组织，具体研究内容以下：
1）影响W18Cr4V钢硬度原因
2）相关W18Cr4V钢新工艺相变机理
3）软化工艺试验研究
4）材料成份对组织、硬度影响
5）新工艺组织，硬度，晶粒度分析
本试验关键是热处理工艺设定，包含热处理温度，保温时间，冷却介质选择等等。为了尽可能开发出最省时省能工艺，设计了三个热处理工艺：工艺名称？
a：790℃下保温一个小时，出炉空冷；
b：790℃下保温一个小时，出炉水冷；
c：850℃下保温30分钟，在沸水中冷却2-4s拿出空冷；
d：850℃下保温20分钟后随炉冷却到760℃保温20分钟后再加热到870℃，保温20分钟后在冷却到760℃，保温20分钟后加热到850℃，再冷却到760℃，保温20分钟后，出炉空冷。
2.3试验设备
试验中关键用到设备以下：
关键试验设备情况
设备名称
型号
生产厂家
洛氏硬度机
3JR-5211
深圳市精点测量仪器贸易企业
金相抛光机
P-2
上海日用电机厂
金相试样切割机
QG3
上海金相机械设备
箱形电阻炉
SRJX-2-9
上海试验电炉厂
金相显微镜
XJP-6A
东莞市兴万电子厂
2.4试验标准？

第三章 新工艺开发研究原始组织、硬度？
3.1 新工艺研究（工艺机理在前，依据机理新工艺试验在后，最终是结果及分析。分析成份、组织、硬度作用）

3.1.1循环球化退火工艺
3.1.1.1试验步骤和试验结果
把试样编号为试样1。把箱式电阻炉调温到850℃，到温后将试样放入箱式炉中（这个工序用盐浴炉效果会好，不过因为试验室条件有限，无法提供盐浴炉，所以采取箱式路替换，将原来加热时间延长，也能够达成原来效果），保温20分钟后，随炉冷却（试验室箱式炉冷却速度为300℃/h），冷却到760℃后保温，时间一样为20分钟，再加热到870℃，保温20分钟后在冷却到760℃，保温20分钟后加热到850℃，再冷却到760℃，保温20分钟，把试样快速从炉中取出，放到空旷地方空冷到室温。注意空冷时应把试样放到空旷地方，让试样愈加好地散热[2]。试验结束后将试样表层氧化层用砂轮机打磨掉，选择较平整一面进行研磨，抛光，以后再把侧面磨平，用洛氏硬度机进行硬度测试，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，以后放到金相显微镜下进行组织观察。
在试样上取三个分散点进行硬度测试，测试结果分别为：30.1,29.2,31.1，取平均值，得到硬度为30.2HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织以下图：

图3.1 循环退火后金相组织（X在数字后面，是乘号，不是字母500）
能够看到基体组织为索氏体，还有白色碳化物，能够看到，渗碳体颗粒比较粗大，所以材料硬度较低。用书面语言
3.1.1.2粒状珠光体形成过程
粒状珠光体是经过片状珠光体中渗碳物球状化而取得[24]。
若将片状珠光体加热至略高于A1点温度，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体混合组织。此时，渗碳体已不保持完整片状，而是凹凸不平，厚薄不匀，部分已经断开。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。片状渗碳体球状化原因是：因为第二相颗粒在集体中溶解度和曲率半径相关，所以和非球状渗碳体尖角处（曲率半径较小部分）相接触奥氏体含有较高碳浓度，而和渗碳体平面处（曲率半径较大部分）相接触奥氏体含有较低碳浓度，在渗碳体界面周围奥氏体中存在浓度差，所以界面周围奥氏体中C原子将从渗碳体尖角处向渗碳体平面处扩散。这种扩散结果，破坏了界面处碳平衡。为恢复界面碳浓度平衡，渗碳物尖角处将溶解而使其曲率半径增大，而渗碳体平面处将长大而使其曲率半径降低，以至逐步成为各处曲率半径相近颗粒状渗碳体，从而得到在奥氏体基体上分布着颗粒状渗碳体组织。然后缓慢冷却至A1点以下时，奥氏体将转化为珠光体。此时，领先相渗碳体不仅能够在奥氏体晶界上形核，而且也能够从已存在颗粒状渗碳体上长出，但这时已不能长成片状，最终得到渗碳体呈颗粒状分布粒状珠光体。

图3.2 片状渗碳体断裂机制示意图不能用扫描照片
另外，因为片状渗碳体中有位错存在，并可形成亚晶界或高位错密度区，在其和基体（如将片状珠光体加热到至略低于A1点时为铁素体）相接触处则形成凹坑。图3.2所表示。在凹坑两侧渗碳体和平面部分渗碳体相比，含有较小曲率半径。同理，和凹坑相接触基体中含有较高碳浓度，将引发C在基体上扩散，并以渗碳体形式在周围平面渗碳体上析出。为维持界面平衡，凹坑两侧渗碳体尖角将逐步被溶解，而使曲率半径增大。这么又破坏了此处相界表面张力（σcem/a和σcem/a）平衡。为维持表面张力平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。在渗碳体片另一面也可发生上述溶解过程，如此不停进行，直至渗碳体溶穿而断裂。以后，断裂渗碳体又按尖角处溶解，平面处析出长大方法而球状化。
对组织为片状珠光体钢进行塑性变形，将增大珠光体中铁素体和渗碳体位错密度和亚晶界数量，有促进渗碳体球状化作用。
3.1.1.3工艺分析
循环球化退火是将钢加热到略高于Ac1点短时保温，再转入低于Ac1温度等温、并依次循环三次，就得到了满意组织和适宜软化效果， 这关键是由碳化物析出规律和高速钢本身特征所决定[2]。
众所周知， 高速钢中碳化物关键是M6C,M23C6和MC，其中M23C6型碳化物最轻易溶解，但溶解温度高于900℃，而M6C和MC型碳化物在温度高于1150℃后才显著溶解。循环球化工艺加热温度为850℃，所以在奥氏体形成四个阶段中，只可能发生奥氏体晶核形成及轻微长大过程，不可能存在碳化物溶解及奥氏体均匀化现象。这种不均匀奥氏体和部分未溶碳化物，和奥氏体中高浓度碳偏聚区，促进了碳化物非自发形核，加速了球化。这种组织特征使碳扩散距离大为缩短，析出碳化物所消耗总能量降低，加之原始组织为回火马氏体， 这些原因全部很利于点状碳化物分散均匀析出。残余碳化物越多且分布愈弥散，球化析出时碳扩散距离LS愈小，越易于形成球化组织，本工艺第二个，第三个循环，其组织中未溶碳化物及第一个循环中析出碳化物数量就很大，使LS减小， 从而快速达成球化和基体组织软化结果，即分散析出大量点状碳化物和硬度降为HB223～269理想退火效果。
在760℃短时(20分钟)等温，不仅析出点状碳化物，而且棱角状碳化物也有自发向球状碳化物转化趋势，尖角处溶断，使曲率变小，系统自由能降低。
高速钢中含有大量合金元素，这些元素在奥氏体中扩散很慢，加之，850℃ 和760℃保温时间全部很短，所以析出点状碳化物后，不会发生聚集及长大。
高速钢循环球化过程关键是点状碳化物析出过程， 同时存在棱角状碳化物自发球化趋势。碳化物呈点状而非颗粒状，和循环退火工艺参数及高速钢中合金元素含量有直接关系。
3.1.1.4试验意义删除标题
循环退火工艺即使是这次多个工艺中时间最长一个，六个保温阶段每个保温20分钟，再加上中间冷却和升温时间，整个工序用时为3小时30分钟，不过，这个工艺是此次试验所尝试工艺中效果最好一个，热处理后样品硬度降到了30HRC，基础能够满足现在切削加工需要，即使降到20HRC左右是最理想切削加工范围，不过，30HRC就现在使用较多硬质合金刀具来说，是能够满足，而且她和传统工艺长达10-20小时保温时间相比，热处理时间大大得到了缩短，从而试验了节省能耗，提升效率目标。
3.1.2 水退火工艺
水退火不是完全退火，但对只要求使钢变软就能够情况确实是很好地措施，在机遇进行作业或以软化到能进行机械加工为目标时，是很好地快速软化方法。水退火就是在水中急冷而软化，关键是加热温度，其温度比相变点大约低100℃左右（切不可比相变点高），加热15min以上，然后放入水中急冷，水中冷却时间1～2min[22]。水退火对机械工厂常见钢种几乎全部使用。经此处理后，硬度全部在30HRC以下，可进行切屑加工。水退火，对于使淬硬钢快速软化到能进行机械加工（切削）是很方便，可应用于高速钢和模具钢。碳素工具钢加热到650℃，模具钢加热到750℃，高速钢加热到800℃，然后进行水冷。下图自己画，标图号

3.1.2.1试验过程和结果
把试样编号为试样2。把箱式电阻炉调温到790℃，试样随炉升温，到温后开始计时，保温1小时，把试样快速从炉中取出，放到水中急冷2min。注意水冷时应该把试样放到尽可能开阔空间，让试样愈加好地散热。试验结束后将试样表层氧化层用砂轮机打磨掉，选择较平整一面进行研磨，抛光，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，以后放到金相显微镜下进行组织观察，以后再把侧面磨平，分别用洛氏硬度机进行硬度测试。
在试样上取三个分散点进行硬度测试，测试结果分别为：40,38,39，取平均值，得到硬度为39HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织以下图：

图3.3 水退火后金相组织（X500）
由图3.3可见，水退火后组织是一个混合组织，其中包含回火索氏体和部分针状马氏体，珠光体组织。我们知道，原材料是部分混合组织，结合W18Cr4V钢连续冷却曲线能够看出，当加热到790℃时，原材料中残余奥氏体已经分解，转变成针状马氏体，因为加热后在水中急冷，冷速比较快，组织转变不经过贝氏体，珠光体转变区，而是直接转变为马氏体组织，部分贝氏体和马氏体在加热过程中转变成回火索氏体，所以在图上能够显著地看到索氏体和马氏体组织。两种一软一硬组织叠加在一起，最终宏观展现出材料宏观硬度达成42HRC，软化效果不理想。
3.1.2.2 试验意义
水退火本意是在低于AC1温度下加热，节省能源，在水中急冷，节省时间。不过可能因为多种材料差异，试验过程中环境原因影响，使得水退火工艺达不到预期效果。
3.1.3 高温回火工艺
3.1.3.1试验过程和结果
把试样编号为试样3。把箱式电阻炉调温到790℃补充温度选择超出二次硬化内容，将试样放入箱式炉中保温一个小时，把试样快速从炉中取出，放到空旷地方空冷到室温。注意空冷时应把试样放到空旷地方，让试样愈加好地散热。试验结束后将试样表层氧化层用砂轮机打磨掉，选择较平整一面进行研磨，抛光，以后再把侧面磨平，用洛氏硬度机进行硬度测试，再用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，以后放到金相显微镜下进行组织观察。
在试样上取三个分散点进行硬度测试，测试结果分别为：46,45,44，取平均值，得到硬度为45HRC，再进行组织观察和分析，经研磨后，在金相显微镜下观察到组织以下图：

图3.4 高温回火后金相组织（X500）
从图片上能够看到，回火后组织是经典回火索氏体，能够看到，渗碳体颗粒比较粗大，所以材料硬度较低。
3.1.3.2碳化物聚集长大
淬火碳钢高温回火时候，碳化物将发生聚集扎根大，当回火温度高于400℃时，碳化物已经开始聚集和球化。当温度高于600℃时，细粒状碳化物将快速聚集并粗化。碳化物球化，长大过程，是根据小颗粒溶解，大颗粒长大机制进行，研究表明[24]，第二项粒子在固溶体中溶解度Cr和第二相粒子半径r相关，可由下式求出
Ln(Cr/C∞)=2Mσ/RTrρ
式中，Cr为第二项粒子半径为r时溶解度；C∞为第二项粒子半径为∞时溶解度；M为第二相粒子相对分子质量；σ为单位面积界面能；ρ为第二相离子密度；R为气体常熟；T为绝对温度。可见第二相离子半径越小，其在基体中溶解度Cr就越大。
假如已经析出碳化物粒子大小不一，则因为其溶解度不一样，将在α基体类形成浓度梯度，图3.5所表示。基体中合金元素原子和碳原子均由小颗粒碳化物处向大颗粒碳化物处扩散，结果造成小颗粒碳化物溶解，大颗粒碳化物长大。若碳化物呈杆状或薄片状，则因为各碳化物部位曲率半径r不一样，其溶解度也不一样。R较小碳化物部位将溶解，r较大碳化物部位将长大，这将使杆或片发生断裂，造成碳化物球化。

图3.5 碳化物粗化机理示意图删除
3.1.3.3回火时二次硬化现象此标题轻易产生歧义，新工艺选择回火温度时应该考虑二次硬化问题，
碳钢在回火第三阶段，伴随渗碳体颗粒长大，将不停软化。图3.6所表示。不过，当钢中含有Mo,V,W,Ta,Nb和Ti强碳化物形成元素时，将减弱软化倾向，即增大了软化抗力。当马氏体中含有足够量碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小特殊碳化物，造成因回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化钢再度硬化，这种现象称之为二次硬化。有时二次硬化峰硬度可能比淬火硬度还要高。图3.7示出了钼含量对低碳（0.1%C）钼钢二次硬化作用影响，可见，伴随Mo含量增加，二次硬化作用加剧。其它强碳化物形成元素（如Ti,V,W,Nb等）也有类似作用。Cr含量很高时候（如大于12%）才有不太显著二次硬化峰。以下有显著超书痕迹

图3.6 低.中碳钢在100-700℃回火1h硬度改变

图3.7 回火温度对低碳钼钢马氏体硬度影响
删除图电镜观察证实，二次硬化手机因为弥散，细小特殊碳化物（如Mo2C,W2C,VC,TiC,NbC等）析出造成。含有二次硬化作用特殊碳化物多在位错区沉淀析出，常呈极细针状或波片状，尺寸很小，而且和α相保持共格关系。随回火温度升高，碳化物数量增多，碳化物尺寸逐步增大，和α相共格畸变也逐步加剧，直至硬度达成峰值。再继续升高温度，因为碳化物长大，弥散度减小，共格关系被破坏，共格畸变消失和位错密度降低，从而使硬度快速下降。综上所诉，能够认为对二次硬化有贡献原因是特殊碳化物弥散度，α相中位错密度和碳化物和α相之间共格畸变等。
采取回火工艺对高速钢进行软化处理时候一定要注意避开高速钢二次硬化温度，W18Cr4V钢二次硬化温度通常在500℃-550℃，高于这个温度，伴随温度升高，软化效果会越好。
3.1.3.4 试验意义
尝试这个回火工艺作为高速钢软化工艺，一个方面是因为在回火过程中伴随马氏体和贝氏体转变，钢硬度会有很大程度下降，从而达成软化效果，其次是因为，我们一直无法搞清楚水退火机理是什么，就安排了这么一个比对试验，这两个工序加热温度是一样，保温时间也一样，至是出炉后冷却介质是不一样，一个是空气，一个是冷水。试验结果表明两个工序最终效果是差不多，组织晶粒度是一样，只是空冷组织中碳化物要小一点，硬度也稍微高点。能够认为这些差异是因为冷却介质不一样原因造成，所以我们不放这么大胆推测，其实水退火工艺就是高温回火。
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