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1、应用说明高合金工具 钢的金相制 备钢材按化学成分大致可分为三类： - 碳钢 - 含少量合金元素的低合金钢 - 合金元素含量高于6%的高合金钢除碳元素外，高合金钢中还含有铬、 镍、钒、钨和钼等大量其他合金元素。 耐磨性、韧性、强度及硬度是工具钢最 重要的特性，而上述合金元素有助于改 善和优化这些力学性能，如果添加足够 的合金元素，还可产生在高温条件下防 腐耐热和保持硬度、低温条件下保持强 度等特性。当今各行业对先进生产技术的要求不断 提高，并承受着各种经济压力，因此要 求钢材生产厂家不断提升高性能工具钢 合金材料的质量，满足各种特殊用途和 所需要求。以冲床、模具或切割工具制 造中所使用的钢材为例
2、，这种钢材要求 具备高强度、高硬度和高韧性等特性。 另外，此类钢材对清洁度也有很高的标 准。这些特性只有通过认真控制各道 炼钢工序及后续锻造/轧制及热处理工 艺方可获得。 切割： 高效无过热切割。钢材生产厂家在生产优质 合金工具钢时，其金相分 析部门主要需要具备以下 要求： - 高效处理大块试样； - 尽可能对所有钢材质量 采用同一标准程序； - 在不损伤碳化物和夹杂 物的前提下确保表面充 分抛光。这一点对于含有碳化物和 夹杂物的超洁净钢的结构 评估尤为重要。金相试样评估的主要内容 包括碳化物分布与尺寸、 硬化后回火处理的钢的脱 碳检测、显微偏析及夹杂 物评级。塑模钢用5%苦味酸浸蚀溶液蚀刻后
3、，原本无定 形的马氏体经过高倍放大显现出一些单体针状 和板状。冷加工工具钢 冲孔工具- 选择合适的切割轮 - 使用自动研磨和抛光设备 - 对研磨造成的机械损伤进 行充分的金刚砂抛光解决方案：研磨与抛光：大块试样的处理。在平 面磨削的过程中，极细的碳化物和夹 杂物可从软质晶体中脱落；大型碳化 物则发生破裂。图2：破裂的一次碳化物 金相制备过程中面临的难题图1：切割条件不当导致的热损伤高合金工具钢 的生产与应用高合金钢的生产是一个复杂的熔炼与重 熔过程。首先，在电弧炉中将铁和分选 好的废钢熔化后，浇铸到铸模中或连铸 成钢坯或钢锭。这些初级产品可进一步 加工成棒材或板材，满足多种应用领域 的需求。初
4、级产品还可作为二级炼钢工 艺的生产原料，生产更高质量要求的钢 材产品。二次炼钢工艺可以是采用真空 感应熔炼加真空电弧熔炼或电渣重熔法 的双联重熔或甚至是三联重熔工艺，该 工艺也可在控制压力和气体保护的条件 下完成。二次炼钢工艺的主要目的是减少氧化 物、硫化物和硅酸盐等夹杂，通过后续 重熔提高清洁度，生产出同质的、具有 优异力学和物理性能的钢锭。这种能源 密集型重熔工艺成本较高，这一点可从 具有特殊用途的耐高温、耐腐蚀马氏体 及热加工工具钢的价格上反映出来。高合金钢种类繁多，一部分产品专为某 些要求极其苛刻的应用领域量身定制。 下文例举了一些高合金工具钢及其应 用，其中包括各种主要合金元素的近似
5、 含量：熔炼精炼浇铸重熔热成型热处理与机 加工电弧炉真空感应炉钢包炉真空 脱气真空 处理铸锭真空感应熔炼保护性气体电渣重熔电渣 重熔真空 电弧炉热锻热轧生产流程连铸热加工工具 钢压铸工具模塑工具 冷加工工具钢：碳1.6-2%，铬5-12%， 用于冲孔工具、冲压工具、深拉工具、 滚丝工具、剪切刀片等。 特性：高韧性、高抗压强度和耐磨性， 良好的氮化性能。热加工工具钢：碳0.38%，铬5%，钼 1.5-3%，钒0.5%，用于压铸工具。 特性：较高的热强度、韧性及耐磨性， 较高热疲劳抗力和抗震性。高速工具钢：碳0.75-1.3%，铬4.5%，钒 2%，钨6-18%，钼4-9%，用于丝锥、车 刀和铣刀
6、。 特性：在高温状态下可保持硬度和韧 性。塑料模具钢：碳0.3%，铬12-17%，用 于汽车、医疗及消费品行业的铸塑零部 件。 特性：通过抛光可实现极高的表面光洁 度，具有出色的韧性和硬度以及良好的 耐腐蚀性。此类钢材用于制造工具时可按已回火的 条件使用。机加工完成后，采用氮化或 感应淬火方法对工具表面硬化处理。工 具的工作条件千变万化，有时甚至在极 端条件下使用。因此，工具钢合金的变 化范围很广，您可针对各种恶劣及苛刻 的工具应用条件做出最佳选择。图3：高合金工 具钢生产流程高速切割 工具工具钢的热处理性能是工具钢的质量评定 标准之一。为了真实呈现其实际结构，必 须避免切割过程中的热影响。切
7、割大型断 面和失效分析试样时，金相制备步骤的实 施必须十分谨慎。碳化物和非金属夹杂物的残留是高合金 工具钢研磨与抛光的主要难题。冷加工 工具钢中的一次碳化物体积很大，在研 磨过程中极易破裂。在充分退火的状态 下，二次碳化物非常细小，可轻易地从 软质金相中脱落。（见首页图2中破裂碳 化物的显微照片）。在各道生产工序中对大块高合金工具钢试 样进行处理是一项具有挑战性的工作， 要求非常有效地组织作业流程、自动设 备和标准程序。高合金工具钢金相 制备中面临的难题高合金钢金相制备的推荐 方案切割 大多数试样通常采用机械方法将板材和 初轧材料粗略地分割成标准尺寸。热处 理试样或失效分析试样的高标准切割均
8、采用金相切割机完成。高合金工具钢对 热损伤极其敏感。因此，须认真选择合 适的切割轮并确保切 割时对其充分冷却。建议选择用软氧化铝 或树脂粘合的立方氮 化硼切割轮。镶样 根据试样尺寸和体积以及需要从试样中获 得的信息，可不镶、热镶或冷镶试样。 要求良好的边角保护且表面经过处理的 试样应采用纤维加强树脂（IsoFast、 DuroFast）进行热压镶样。无边角保护要 求的试样如果尺寸与试样座匹配，则无需 镶样。试样尺寸标准化有利于大块试样的 处理，建议在长方形硅或聚丙烯杯状模中 （Uni-Form）采用冷镶法。注意：冷镶 树脂的收缩率很小，试样与树脂之间不 会产生缝隙，避免了污渍残留。研磨与抛光
9、高合金工具钢试样 制备的主要要求 有：真实呈现碳化 物的形状、含量和 尺寸并在未变形基 体中保留非金属夹杂物。大块高合金钢 试样采用全自动研磨抛光机加工可获得 最佳效果，确保了作业流程快速高效、 加工结果具有可再现性。由于工具钢硬 度较高，用金刚砂精磨比用碳化硅砂纸 研磨更高效、更经济。有时，金刚砂抛 光工序结束后用氧化物进行一次终抛光 会有助于碳化物的对比和鉴别。以下所述为使用全自动和半自动研磨抛 光设备的推荐制样方法。这些方法是在根据制样经验提出来的， 制备的试样可带来优异的再现性。必要 时可根据具体要求或个人喜好稍作改 动。 步骤 PG FG 表面 150# 石材 MD-Allegro
10、悬浮液 9 微米 力牛 300 300 时间 根据需要 9 分钟研磨润滑剂 水 蓝色 每分钟转数 1450 150 步骤 DP 1 DP 2 表面 MD-Dac MD-Nap 悬浮液 6 微米 1 微米 力牛 300 150 时间 6 分钟 4 分钟抛光润滑剂 蓝色 蓝色 每分钟转数 150 150 表1：用大型自动设备制备高合金工具钢的方法 表1为6件试样的制备数据，试样尺寸 65x30毫米，可不镶或冷镶，研磨抛光 设备为司特尔MAPS或AbraPlan/AbraP- ol。试样尺寸较小、数量较少时，使用半自 动研磨抛光设备也可获得具有良好再现 性的制备结果。表2所示的制备数据来自6件30毫
11、米、固 定在试样座上的已镶试样，研磨抛光设 备为配备TegraDoser-5的司特尔TegraP- ol-31/TegralForce-3型研磨抛光设备。表2：用台式半自动设备制备高合金工具钢的方法步骤 PG FG 表面 MD-Piano 220 MD-Allegro 悬浮液 DiaPro Allegro/Largo力牛 210 210 时间 根据需要 9 分钟研磨润滑剂 水 每分钟转数 300 150 步骤 DP 1 DP 2 OP 1* 表面 MD-Dac MD-Nap MD-Chem 悬浮液 DiaPro Dac DiaPro Nap B OP-AA 力牛 210 150 90时间 6
12、分钟 1 分钟 1 分钟抛光每分钟转数 150 150 150 备注：DiaPro金刚砂悬浮液可按以下方式 用DP-Diamond悬浮液P替代：FG用9微米替 代，DP 1用3微米替代，DP 2用1微米替代。*可选蚀刻 蚀刻之前通常需要先检查工具钢试样， 鉴别夹杂物及碳化物的尺寸和组成。可 采用各种浓度的奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液 或苦味酸呈现其结构。例如，展现冷加 工工具钢中碳化物的分布情况时，使用 10%的奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液可使基体 颜色变深，突出显示白色一次碳化物。 对于微细球状珠光体，在苦味酸中浸泡片刻后再使用2%奈塔尔硝酸乙醇腐蚀 液，可产生良好的衬度并防止锈蚀。混合及操作蚀刻溶液时必须
13、遵守标准安 全防护措施。图4：用10%奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液蚀刻后的冷 加工工具钢可突出显现出白色的一次碳化物。 图5：用苦味酸和奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液蚀刻后 的热加工工具钢呈现球状珠光体。 蚀刻与结构分析奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液： 100毫升乙醇 2-10毫升硝酸（注意：溶液浓度切勿超 过10%，小心爆炸！）苦味酸蚀刻溶液： 100毫升乙醇 1-5毫升盐酸 1-4克苦味酸结构分析 高合金钢的结构一般与常规的钢铁材料相 同：铁素体、珠光体、马氏体和奥氏体， 但是，固溶体可吸收一定量的合金元素。 碳可与合金化元素，例如铬、钨和钒等形 成成分复杂的碳化物。另外，碳在铁中的 溶解性会发生变化：添加硅、铬、钨
14、、钼 和钒等合金元素可使铁铁碳相图的区 增大，而添加镍和锰则可使区增大。这 些特性均会影响时间-温度的变化，而时 间-温度的变化对于工具钢热处理具有特 别重要的作用。冷加工工具钢的基本结构为莱氏体。其 粗糙结构通过热轧或热锻被转换为带有 大块一次碳化物的铁素体（图6）。通过 后续全退火处理，可形成二次精细碳化 物（图7）。热加工工具钢在经过完全热处理后可呈 现出理想的淬火马氏体并带有非常细微 的球状珠光体（图5）。化学成分偏析可 导致腐蚀问题，所以，应通过热处理使一 次结构的偏析尽可能达到均匀，这一点很 重要（图8）。图6：经过初步热成型后的冷加工工具钢，铁素体 中出现大块的一次碳化物图7：经
15、过充分热处理后，冷加工工具钢呈现出微 细弥散分布的二次碳化物和细小白色的一次碳化物 图8：呈现偏析现象的热加工工具钢 图9：塑模钢用5%苦味酸蚀刻后，无定形马氏体 中带有串状一次碳化物图10：退火后，塑模钢呈现出非常微细的碳化 物 图12：采用粉末冶金法生产的钢材中 碳化物的分布情况图11：采用传统生产方法生产的钢材 中碳化物的分布情况塑模钢是一种耐腐蚀工具钢，热处理之前 呈现为带有串状碳化物的“无定形”马氏体 （图9）。退火后则呈现为微细弥散状分 布的碳化物（图10）。碳化物在工具钢中分布的均匀程度可采用 粉末冶金法加以改善。通过粉末制造工艺 和后续的热等静压，可制成同质、无偏析 的钢产品，
16、特别适合制造具有非常规几何 形状的刀具，如用机械方法制造这种刀 具，成本将相当昂贵（图11和12）。经过最终热处理后的高速工具钢，带有碳化铬 的马氏体结构非常精细。蚀刻与结构分析Struers A/S Pederstrupvej 84 DK-2750 Ballerup, Denmark Phone +45 44 600 800 Fax +45 44 600 801 struersstruers.dkFRANCE Struers S.A.S. 370, rue du March Rollay F- 94507 Champigny sur Marne Cedex Tlphone +33 1 5509 1430 Tlcopie +33 1 5509 1449 struersstruers.frTHE NETHERLANDS Struers GmbH Nederland Electraweg 5 NL-3144 CB Maassluis Tel
