钴高速钢价电子结构与回火性能的研究.pdf

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第26卷第4期甘肃工业大学学报Vo】．26No．4
2000年9月JournalofGansuUniversityofTechnologyDec．2000
文章编号{10005889(2000)04一O017-06J
钴高速钢价电子结构与回火性能的研究T?l；t、

(1．甘肃工业大学材料科学与工程鬃学院，甘肃警兰州。7，300师50；2．国二家电力公司西安热工研究t

摘要：计算j含钻高速钢的价电子结构与共价键能．发现c0可增强奥氏体和马氏体
基体金属原子问结合力(键参数相应提高12．5～30和20～27)，有利于
更高温度奥氏体化及回火析出量增加．Co削弱C与近邻原子的键强与键能，提高C
的活度，但由于W—Co，Mo—Co等强键存在，因此Co促进7特殊碳化物的初始析出，
却阻碍其聚集，结果在强化的相基体上形成数量更多、弥散程度更高的回火析出，
圈艘警-}：
淬犬
高速工具钢不仅用于刀具材料，而且还应用于模具及某些特殊结构材料．近年叉开发了含
AI，N，Re等元素的新钢种．国内外一致认为钴是现今超硬高速钢中最重要和必须的元素。．
研究和使用表明：Co能提高高速钢淬火后回火处理的二次硬化峰值(回火后的室温硬度)，能
提高高速钢的红硬性及其高温硬度．但是，与W，Mo，V等元素不同，c0在钢中并不形成碳化
物，对于Co能提高高速钢红硬性并增强二次硬化效果的作用机理还不清楚，存在经验性和推
测性的种种看法“．本文作者认为，应用电子理论，分析c0与碳、铁及其它台金元素在固溶
体中交互作用，才有可能揭示其本质．最近，程开甲院士已阐明余氏理论也是第一原理的必然
结果]．本文应用余氏理论，对钴提高高速钢的红硬性及二次硬化效果进行了研究．
1高速钢基体含钴价电子结构单元计算模型

Co是Fe同一周期右侧的近邻，外层电子数均为4s．Co与c可单独形成碳化物CoC，说
明Co与c仍有一定的化学亲和力，但要比钢的基体元素Fe弱．Co与Fe的电负性均为1．8．
Co在Fe(A2结构)中的溶解度为76，而在y—Fe(A1结构)中则可无限固溶．因此，钢中Co
在退火状态基本处于铁索体中，加热后处于奥氏体中．
由于Co的物理化学性质与Fe很相近，而且原子尺寸差别很小(；一12．7hill，r嚣一12．6
nm)．置换固溶于Fe中后，可认为晶格常数保持不变．计算结构单元时，c0位于。一Fe的体心
位置以及yFe的面心位置或顶点位置(二者计算结果相同)．
根据余氏理论的平均晶胞模型]，Fe—c台金奥氏体和马氏体均可认为是由含碳晶胞和不

收稿日期：20000311
作者简介：杨瑞成(1946一)．男，江苏宝应人，甘肃工业太学教授．碰士

·18·甘肃工业大学学报第26卷

含碳晶胞混合而成．不含碳
晶胞即y—Fe或aFe，含碳
晶胞中，碳处于相应的八面
体间隙中．根据Co的理化
特征，Co除存在于Fe，y—
Fe中外，尚可存在于舍碳晶
胞中，位于顶角位置成为碳
原子的第二近邻(奥氏体
中)或第三近邻(马氏体
中)．对于合金钢，当溶入形
成碳化物元素Me时，Me
即占据碳的第一近邻位置，
Co仍位于顶角位置，其余结
位置为Fe占据考虑到蛆

合金元素含量及出现几率，ABC
本计算仅限于FeCMe—Co
情况，未考虑．beC—Met图1奥氏体(上图)与马氏体(下图)古C结构单元的计算模型
一

Mey_Co及FeC—MeMev-MeCo等情况．各含碳结构单元见图1，其中马氏体单元参考了余86
瑞璜等以碳为中心的体心四方单元的构造模型]．

2价电子结构分析及键能计算结果魄∞

按键距差法和键能计算公式]，计算范围包括FeCo，y-．be—Co，Fe—CCo奥氏体，Fe—C
h
Co马氏体，添加合金元素Cr，Mo，W，V等含Co合金奥氏体及含Co合金马氏体，并将Fe，
yFe，FeC马氏体及FeC奥氏体的计算结果一并列入．根据文[6]，高速钢不同加热温度奥氏
体及淬火态马氏体含碳范围为0．2～0．6，M2于1220～1230℃正常淬火后，固溶体含C
0．5～0．6．考虑到某些含Co高速钢的含碳量还稍高一些，如M14，M42～44，故本文主要
竹nu
列入0．6C的奥氏体与马氏体的计算结果，见表1～3，其它含碳量的结果基本类似
表17-Fe(Co)与—Fe(Co)的价电子结构

Fe一Fe120．3299Fe—Co

BFe一F6O．OO6OFe—F

3Co提高高速钢红硬性及二次硬化效果的作用机理分析

普遍认为高速钢中碳化物固溶于奥氏体后，在随后560℃回火时以M。C，MC的形式弥散
析出，获得红硬性及二次硬化效果．从以上价电子结构分析结果，co的作用是强化a相，提高

第4期扬瑞成等：钴高速钢竹电子结构与回火性能的研究·19·