高速钢回火相变的研究

1.高速钢回火相变的几个阶段

高速钢由于含有W、Mo、Cr、V等大量碳化物形成合金元素，马氏体的耐软化能力大大提高，碳化物聚集长大的温度也大大升高，并且回火过程中有碳化物析出和残留奥氏体转变，回火过程中会产生二次硬化现象，因此高速钢的回火与碳素工具钢和合金工具钢有很大不同。

高速钢回火组织转变分为互相重叠的4个阶段，在生产中只遇到其中前3个阶段。

第一阶段为室温～400℃。该阶段又可分为两部分：室温～270℃，这期间正方马氏体分解成立方马氏体，同时排除碳形成非常细小的过度相（ε碳化物）；300～400℃，这期间随着Fe₃C型渗碳体的出现，ε相消失，同时伴随着硬度的下降（降低2～6HRC），但大部分残留奥氏体未发生变化。

第二阶段为400～565℃。在此阶段中部分渗碳体重新溶解，从回火马氏体中析出M₂C合金碳化物，伴随着显著的二次硬化。

第三阶段为残留奥氏体转变阶段。在回火过程中，由于从奥氏体中析出合金碳化物，残留奥氏体中的含碳量降低，致使高速钢的马氏体相变点Ms升高，因此高速钢从回火温度冷却时某些残留奥氏体转变成马氏体。

这种残留奥氏体转变成马氏体与在回火过程中合金碳化物的析出，共同形成了二次硬化效应，使高速钢的硬度显著上升，形成回火曲线的峰值。也就是说，高速钢回火的第二和第三阶段的联合作用形成了二次硬化。

第四阶段为高速钢的过回火阶段。当回火温度过高时，M₂C碳化物的再溶解及某些碳化物的聚集长大，导致硬度下降。这一过程在生产中通常是不会发生的，因为回火温度超过650℃以后高速钢的硬度会急剧下降。

2.高速钢回火时碳化物及马氏体中合金元素含量的变化

相分析和物理性能的测定表明，在回火温度较低的条件下就已经开始了自固溶体析出合金碳化物的过程，经过较高温度的回火以后便可以清楚地看出这种过程，但在不同温度下其进展程度是不同的。

150～250℃回火——自马氏体中析出细小弥散的渗碳体质点，马氏体的碳含量减少了。

275～400℃回火——自马氏体中析出的碳化物数量增加，马氏体中的碳含量、Cr含量和W含量减少，并从马氏体中析出含Cr和W的合金碳化物，渗碳体型碳化物开始聚集长大。

400～500℃回火——析出的含Cr的碳化物数量增加，马氏体的Cr含量减少，但W、V的含量没有变化。含Cr碳化物的抗聚集稳定性比渗碳体型碳化物高。

500～600℃回火——马氏体中的V、W、Cr的含量降低，有V、W、Cr三种合金元素的碳化物析出。在550～575℃的温度区间，V的析出量要大得多，含V的碳化物数量增加。

600～650℃回火——加强了自马氏体中析出V和W的过程，在此温度下两种元素几乎以同等速度析出。

在高速钢的回火析出硬化过程中，V起到了重要作用。采用不同V含量的W18CrV高速钢的进行不同温度的回火试验表明，不含V的高速钢几乎没有回火硬化效应；w（V）=0.4%的高速钢有回火硬化效应，但不明显；只有w（V）=1.12%的高速钢才达到很高的硬化峰值。

高速钢回火二次硬化时析出的碳化物极其细小，无法在光学显微镜下观察到，甚至也不能在电子显微镜下直接观察到。通常都是通过电解脱溶和X射线等方法相配合，间接证明回火时碳化物的析出和碳化物数量的增加。由于试验手段的进步，采用电子显微镜和场致离子显微镜（Fieldionmicroscopy）相结合的方法已经可以直接观察到高速钢回火析出碳化物的形貌。

在1990年的高速钢国际年会上，就有文章介绍利用电子显微镜配合场致离子显微镜观察到高速钢回火后析出碳化物的形貌。图2-37所示为W6Mo5Cr4V2钢淬火并在560℃进行3次回火后二次碳化物析出情况，碳化物在片状马氏体的边界和马氏体的内部形成。图2-37a所示为针状M₂C碳化物的析出；图2-37b所示为片状MC碳化物的析出。

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图2-37 W6Mo5Cr4V2高速钢回火时二次碳化物的析出

a）针状M₂C碳化物 b）片状MC碳化物

在同一次会议上另一篇论文中也提到利用透射电镜和场致离子显微镜结合，拍摄到高速钢回火时碳化物析出的形貌。图2-38a所示为W6Mo5Cr4V2钢1220℃奥氏体化淬火，560℃3次回火，600℃保温100min后，碳化物析出的形貌，图中的亮点就是过回火时析出的碳化物。把上述的在600℃保温时间延长到3000min时，析出碳化物的界面开始溶解，碳化物长大，呈大块、球状颗粒，其形貌如图2-38b所示。

图2-38 W6Mo5Cr4V2高速钢过回火时析出碳化物的形貌

a）600℃×100min b）600℃×3000min

3.高速钢回火时残留奥氏体的变化

在高速钢回火时不仅引起马氏体和碳化物相的变化，而且也使残留奥氏体发生转变。淬火高速钢在500～600℃的回火温度停留时，从残留奥氏体中析出一部分碳和合金元素，使高速钢的Ms点升高，因此在回火冷却过程中达到Ms点温度时残留奥氏体就转变成马氏体。残留奥氏体向马氏体转变少许提高了高速钢的硬度。但是对高速钢来说，特别是油淬和盐浴分级淬火的高速钢来说，残留奥氏体向马氏体转变引起的硬度升高远不及由于细小弥散碳化物析出引起的硬度升高作用大。

淬火的高速钢中含有15%～30%（体积分数）的残留奥氏体，必须进行回火，尽量降低残留奥氏体含量，并消除淬火时产生的热应力和组织应力。但是1次回火不能有效地消除残留奥氏体，如图2-39所示，W6Mo5Cr4V2高速钢在1215℃淬火后，在560℃回火时，伴随回火保温时间的延长，残留奥氏体数量逐渐减少。回火保温时间达到1～2h后，再延长回火保温时间对残留奥氏体数量的减少，效果已经很小。继续延长回火保温时间，即使延长到10h，残留奥氏体的数量变化不大。

图2-39 W6Mo5Cr4V2高速钢560℃回火保温时间对残留奥氏体数量的影响

一次回火后不能使残留奥氏体完全转变成马氏体，必须经过多回火才能使残留奥氏体降低到最低限度。采用多次回火的意义还在于，第1次回火后，在冷却过程中，部分残留奥氏体转变成马氏体，马氏体相变又产生新的应力，必须要经过再次回火消除新的应力。由于第2次回火后仍然还有残留奥氏体没有转变，所以在第二次冷却过程中仍有残留奥氏体向马氏体转变，因此又产生新的应力，需要第3次回火来消除新应力，同时第3次回火又有部分残留奥氏体转变成马氏体，进一步减少了残留奥氏体的数量。

W18Cr4V高速钢1290℃淬火，560℃×1h回火时，回火次数对残留奥氏体数量和未回火马氏体数量的影响如图2-40所示。由图2-40可见，经3次回火后，高速钢的残留奥氏体数量和未回火马氏体数量都降低到最低程度。

图2-40 回火次数对W18Cr4V高速钢残留奥氏体和未回火马氏体数量的影响

关于高速钢回火时残留奥氏体转变还有另一问题，就是所谓的陈化稳定现象，即淬火的高速钢在回火之前在室温下的停留会使回火时残留奥氏体的转变变得更加困难。图2-41所示为W9Cr4V高速钢在1240℃奥氏体化以后，分别淬入油中和在250℃盐浴中保温3h后空冷。两者都在室温下停留1～72h，然后进行560℃×1h×1次回火。由图2-41可见，总体趋势是在室温下停留时间越长，在以后回火时残留奥氏体数量越多。因此，高速钢淬火后应该尽量缩短在室温下停留的时间，以避免残留奥氏体产生陈化稳定现象。

图2-41 淬火后室温停留时间对残留奥氏体数量的影响