实验六 碳素工具钢、合金工具钢的组织观察与查验(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、合金工具钢的查验方式和正确评级方式。 3． 分析工具钢中场出现的各类缺点组织。
二、实验原理
工具钢是指用来制造刃具、量具、模具的钢种，按照其化学成份的不同能够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％～％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多余碳化物，从而保证了工具钢热处置后取得较高的硬度和耐磨性，能普遍用于制造各类工具和模具。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、凿子和形状简单的冷加工冲头、拉丝模、切片模等。主要牌号有T7、T八、T九、T10、T1一、T1二、T13等。在碳素工具钢化学成份的基础上，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。
一、碳素工具钢的金相查验
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、回火后取得细小马氏体和颗粒状渗碳体，必需进行球化退火处置（使片状渗碳体趋于球状），消除网状渗碳体。
（1）球化退火组织的查验
球化退火工艺见图（加热温度≤Acm①加热到略高于Ac1长时刻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进程中发生破断，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太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。渗碳体球的轮廓清楚可见。
③球化退火过热组织：碳素工具钢在球化温度太高使得珠光体呈粗片状造成的组织。
部份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进程中，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，明显降低工具的利用寿命。这是碳素工具钢查验项目之一，评级图1～4级。一般来讲：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映，失去部份或全数的碳量，造成钢材表面碳量降低的区域。分为部份脱碳层（铁素体＋珠光体）和全脱碳层（铁素体）。脱碳层厚度等于部份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转变情形。
（4）石墨碳：游离石墨碳时碳素工具钢容易产生的一种缺点。产生原因是由于含碳素工具钢碳量较高，当退火温度较高、长时刻保温缓和慢冷却，或是多次退火，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，能够与制样时形成的凹坑相区别。
（5）淬火组织的查验
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《工具钢热处置金相查验标准》，按照马氏体针的长短分为6级。在进行评级时应被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 M针长度mm
1 ≤
2 ～
3 ～4
4 4～6
5 6～8
6 8～12
当淬火温度选择不妥或保温时刻不合理和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，若是色泽有淡黄色为回火不充分，应补充回火。
二、合金工具钢的金相查验
在碳素工具钢化学成份的基础上，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，和锰元素配合利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。常常利用牌号有：量具刃具工具钢：9SiCr、8MnSi等；冷作模具钢：Cr1二、Cr12MoV、9Mn2V、CrWMn等；热作模具钢：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等；耐冲击钢：4CrW2Si、6CrW2Si等。
合金工具钢在退火状态的金相查验项目、目的、方式等许多方面与碳素工具钢相同，下面叙述其不同的地方。
（1）珠光体：合金元素细化了钢的组织，因此合金工具钢的球状珠光体或片状珠光体均比碳素工具钢细小。（在退火状态下，一般能够由珠光体的粗细来判断材料是碳素工具钢仍是合金工具钢）。珠光体的评级标准为GB/T 1299-2000。
（2）网状碳化物：合金工具钢的碳化物颗粒及碳化物网的粗细均比碳素工具钢细小，评级方式与碳素工具钢大体相同。（一般截面小于60mm钢材的组织允许有破碎的半网存在，但不允许有封锁的网状碳化物存在。----其脆性较大，容易造成刀具崩刃。）
（3）脱碳层：合金工具钢退火状态的脱碳层组织与碳素工具钢相同。
（4）共晶碳化物不均匀度：高碳高铬钢（Cr1二、Cr12MoV钢）属于莱氏体钢，铸造状态有共晶网状碳化物组织。通过锻轧等热加工能够使部份网状组织破碎。当热加工变形量较大时，碳化物呈堆积的带状；当热加工变形量较小时，碳化物呈较完整的网状。钢中的这种碳化物不均匀的散布即为碳化物不均匀度。严峻时将造成工模具在锻造或热处置时的开裂、过热及变形，并使工模具在利用进程中出现崩裂等缺点，因此必需查验和控制碳化物不均匀度。碳化物不均匀度依照GB/T 1299-2000标准来评级（共8级，1-3级为带状，4-6级分带状和网状两组图片；7-8级为网状）。
（5）合金工具钢的淬火回火后的金相查验
合金工具钢的淬火临界速度较小，所以淬透性好，即便以缓慢冷却速度（如油冷）也能取得马氏体组织，马氏体多呈丛集状，马氏体针叶的长度和评级方式同碳素工具钢，一般以马氏体不大于2～3级为合格。对于量具和刃具，为取得高硬度和耐磨性常采用低温回火，
实验六碳素工具钢、合金工具钢的组织观察与查验
