实验六 碳素工具钢、合金工具钢的组织观察与检验.doc

实验六碳素工具钢、合金工具钢的组织观察与检验(验证性)
一、实验目的及要求
1．了解碳素工具钢、合金工具钢的显微组织。
2．掌握碳素工具钢、合金工具钢的检验方法和正确评级方法。
3．分析工具钢中场出现的各种缺陷组织。
二、实验原理
工具钢是指用来制造刃具、量具、模具的钢种，根据其化学成分的不同可以分为碳素工具钢和合金工具钢两大类。
碳素工具钢是含碳量较高的钢，其含碳量在0.7％～1.3％之间，所以又称为高碳钢。由于碳含量比较高，使淬火后钢中存在大量过剩碳化物，从而保证了工具钢热处理后获得较高的硬度和耐磨性，能广泛用于制造各种工具和模具。这种钢的主要合金元素是碳元素，所以红硬性较差，例如作高速切削时刀具回会受热软化丧失切削功能。因此只能制造尺寸小、形状简单、切削速度不高的工具，如手工据条、锉刀、丝锥、板牙、凿子以及形状简单的冷加工冲头、拉丝模、切片模等。主要牌号有T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13等。在碳素工具钢化学成分的基础上，加入一种或几种其他元素而成的钢称为合金工具钢。合金工具钢一般用于制造形状复杂、尺寸精度高、截面积大及载荷中的工具。
1、碳素工具钢的金相检验
原材料组织：片状珠光体和网状渗碳体组成，如图6－1所示，大多为锻造加工后的退火状态的过共析钢组织。为了淬火、回火后获得细小马氏体和颗粒状渗碳体，必须进行球化退火处理（使片状渗碳体趋于球状），消除网状渗碳体。
（1）球化退火组织的检验
球化退火工艺见图（加热温度≤Acm①加热到略高于Ac1长时间保温后缓慢冷却到小于500℃②加热到Ac1＋20～30℃透烧后快冷到Ar1-20～30℃保温反复循环数次后缓冷到小于500℃③等温球化退火，加热到Ac1＋20～30℃再快冷到Ar1以下保温然后可空冷）。球化退火时，片状的珠光体在反复加热过程中发生破断，然后成为表面积最小、能量最低的球状珠光体组织。
①球化退火欠热组织碳素工具钢在球化温度过低使得珠光体球化不良造成的组织，在500×下珠光体的片间距不能分辨，并伴有点状及小球状珠光体。这种组织在淬火时容易出现组织不均匀造成过热组织和淬火开裂。
②球化退火正常组织：球状珠光体组织。渗碳体球的轮廓清晰可见。
③球化退火过热组织：碳素工具钢在球化温度过高使得珠光体呈粗片状造成的组织。部分片状渗碳体呈粗球状、棱角状，这种组织在淬火后会出现局部马氏体粗大现象。
（2）网状渗碳体：碳素工具钢在热加工后冷却过程中，二次碳化物沿晶界析出而成网络状，称为网状碳化物。网状渗碳体的存在将增加钢的脆性，是钢的冲击韧性显著下降，明显降低工具的使用寿命。这是碳素工具钢检验项目之一，评级图1～4级。一般来说：Φ≤60mm，≤2级合格；Φ≥60mm，≤3级合格。
（3）脱碳层：是指钢材在热加工时由于表面与炉气的氧化反应，失去部分或全部的碳量，造成钢材表面碳量降低的区域。分为部分脱碳层（铁素体＋珠光体）和全脱碳层（铁素体）。脱碳层厚度等于部分脱碳层和全脱碳层厚度之和。球化退火后的脱碳层主要观察表面与心部组织的变化情况。
（4）石墨碳：游离石墨碳时碳素工具钢容易产生的一种缺陷。产生原因是由于含碳素工具钢碳量较高，当退火温度较高、长时间保温和缓慢冷却，或者是多次退火，使钢中的碳以石墨形式析出。析出的石墨碳较松散，多呈灰色点状或者不规则形状，在制样时容易脱落。侵蚀后，在石墨碳周围由于贫碳，使得铁素体数量较多，珠光体较少，可以与制样时形成的凹坑相区别。
（5）淬火组织的检验
碳素工具钢的正常淬火温度在Ac1+30～50℃，即通常的加热温度760～780℃，组织一般为细针状马氏体＋少量残余奥氏体，马氏体级别一般不大于2～3级。标准参照ZBJ36003-87《工具钢热处理金相检验标准》，根据马氏体针的长短分为6级。在进行评级时应当选择视域中一般长度的马氏体针作为测定依据。放大倍数为500×：
M级别123456M针长度mm≤1.51.5～2.52.5～44～66～88～12当淬火温度选择不当或保温时间不合理以及淬火冷速较小时会出现欠热组织、过热或过烧组织等。
（6）回火组织：应当为均匀的回火马氏体组织。侵蚀后回火马氏体组织的色泽为均匀的黑色，如果色泽有淡黄色为回火不充分，应补充回火。
2、合金工具钢的金相检验
在碳素工具钢化学成分的基础上，加入一种或几种其他元素而成的钢称为合金工具钢。合金工具钢中常加入的合金元素有：Cr（强烈提高钢的淬透性，抑制钢的贝氏体转变）、Mn（强烈提高钢的淬透性，促使奥氏体晶粒长大，使钢的过热敏感）、Ni（奥氏体形成元素，提高钢的淬透性、韧性）、Si（对回火转变有阻碍作用，和锰元素配合使用能克服钢的过热敏感性）、W、V（W、V强烈形成碳化物的元素，有强烈的细化晶粒的作用）等。常用牌号有：量具刃具工具钢：9SiCr、8MnSi等；冷作模具