含钴高性能高速钢回火组织和性能演变研究

发布时间：2017-07-26 22:15

  本文关键词：含钴高性能高速钢回火组织和性能演变研究

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【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)。。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。
【关键词】：高速钢 红硬性 Co 合金碳化物 粗化
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1;TG156.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 高速钢的生产与发展11-14
• 1.1.1 高速钢发展历史11-12
• 1.1.2 高速钢的生产流程12-13
• 1.1.3 高速钢发展趋势13-14
• 1.2 高速钢的成分、组织与性能14-17
• 1.2.1 高速钢的性能特点14-15
• 1.2.2 高速钢合金化15-16
• 1.2.3 高速钢的组织16-17
• 1.3 高速钢的热处理与组织转变17-21
• 1.3.1 高速钢的退火17-18
• 1.3.2 高速钢的淬火18
• 1.3.3 高速钢的回火18-21
• 1.4 Co在高性能高速钢中的应用21-23
• 1.5 合金碳化物的长大行为23-26
• 1.5.1 第二相的Ostwald熟化理论23-25
• 1.5.2 合金碳化物粗化研究25-26
• 1.6 课题研究背景与内容26-28
• 1.6.1 课题研究背景与意义26-27
• 1.6.2 课题研究内容27-28
• 第二章 研究路线及方法28-35
• 2.1 研究路线28-29
• 2.2 实验材料29
• 2.3 实验样品制备29-33
• 2.3.1 实验热处理工艺29-30
• 2.3.2 SEM微观组织样品制作30
• 2.3.3 TEM金属薄片样品制备30
• 2.3.4 TEM碳复型样品制备30-33
• 2.4 实验分析方法33-35
• 2.4.1 硬度性能测试33
• 2.4.2 碳化物形貌观察、尺寸统计33
• 2.4.3 碳化物结构、成分确定33-35
• 第三章 含Co高速钢回火二次硬化与合金碳化物演变35-62
• 3.1 高速钢回火二次硬化现象35-37
• 3.1.1 实验样品35
• 3.1.2 回火硬度变化35-37
• 3.2 高速钢回火组织演变37-51
• 3.2.1 金相组织和SEM微观组织37-38
• 3.2.2 回火组织演变TEM分析38-40
• 3.2.3 二次硬化峰值温区合金碳化物析出行为40-43
• 3.2.4 过回火阶段合金碳化物演变行为43-46
• 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46-51
• 3.3 Co对高速钢回火组织演变的影响51-61
• 3.3.1 含Co高速钢回火金相组织和SEM组织51-53
• 3.3.2 含Co高速钢回火组织演变TEM分析53-54
• 3.3.3 Co对二次化峰值温区合金碳化物析出行为的影响54-57
• 3.3.4 Co对过回火阶段合金碳化物演变行为的影响57-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 含Co高速钢合金碳化物粗化行为研究62-86
• 4.1 高速钢等温回火硬度变化曲线62-63
• 4.2 高速钢等温回火过程合金碳化物粗化行为63-73
• 4.2.1 微观组织演变63-66
• 4.2.2 合金元素的相分配66-68
• 4.2.3 高速钢合金碳化物粗化行为分析68-73
• 4.3 钻对合金碳化物粗化的影响73-84
• 4.3.1 微观组织演变73-76
• 4.3.2 合金元素分布变化76-78
• 4.3.3 含Co钢合金碳化物粗化行为分析78-84
• 4.4 本章小结84-86
• 第五章 结论86-88
• 参考文献88-95
• 致谢95-96

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本文编号：578603