工具材料的高温硬度

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1990.05.007 北京科技大学学报 第12在第5则 Vol.12 No.3 1990年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1990 工具材料的高温硬度 陈景榕石沂平· 摘要：G种上业用合金工具削及7种WC-C0烧结合金维氏使度(！)与温度()关 系的研究表明，经谇火一回火二次硬化处理的工只钢，在回火温度以下，可逆铁化与温度 至线性关系，山各高速维可逆软化系数很接近；提出了计算高速钢500℃以下硬度的简易公 式。高于回火温度时，工具钢H一T关系复杂化，但直到700℃，彩响高温硬度的主要因素 仍然是热处理（二次硬化）达到的室温硬度。WCC0烧结合金的硬度在30°C以下和温度 呈线性关系，当C0≤206时，与结含量也呈显若的线性关系：垫出了由室温硬度或钻含量 (3%一20%)计算800℃以下硬度的简易公式。 关键词：工具材标，高温硬度，高速钢，烧结碳化物 An Investigation on High Temperature Hardness of Tool Materials Chen Jingrong Shi Yiping ABSTRACT:The relalionships between Vickers hardness (H)and Temperature (T)for six industry alloying tool steels and seven WC-Co sintered alloys have been investigated.When T is lower than tempered,the reversible softening value for tool stecls undergonc quenchingtempering secondary hardening treatment is a linear function of T.The diferences among reversible softening factors for varions high speed steels (HSS)are very small.Hence,a simple relation to estimate the hardness of HSS at T below 500C is presented.When T is higher than tempered,the H-T relation of tool steels is complicated,but H is still mai- 1989-10-05收府 ,材料科学与工系(Department of Material Science and Engineering> ▣413·

、 、 第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 。 年 月 。 工具材料的高温硬度 陈娥榕 ‘ 石沂平 ‘ 摘 要 。 种工 业 用 合金工共钢及 种 一 。 烧绪合金维 氏 硬 度 与温 变 关 系的研究表 明 ， 经 淬火一 回 火二 次硬化 处 理的工 共钢 ， 在回火温度以下 ， 可 逆软 化 与溢 度 呈 线 性 关 系 ， 且 各高速 钢 可逆软 化 系数很 接近 提 出 ’ 计算高速钢 ℃ 以下硬度的 简易公 式 。 高于回 火温 度 时 ， 工 共钢 一 丁关 系复杂化 ， 但 立 到 七 ， 影 响高温硬度的主要 因 素 仍然 足 热处 理 二 次 硬 化 达到 的 宝温 硬度 。 一 。 烧结合 金的硬度在 。 。 口 以 下和温度 呈 线 性 关系 ， 当 簇 。 时 ， 与钻 含量 也 呈显 著的 线性 关系 提 出 了 由室温 硬 度 或 钻含量 肠一 。 计算 ℃ 以下 硬 度 的 简易公 式 。 关键词 工具材料 ， 高温 硬 度 ， 高速 钢 ， 烧 结 碳 化物 气 仑 ， 葱， 落 、 、 丁 一 。 ， ℃ 、 ， 一 ， 万 入 」 一 卫。 一 收 稿 ‘ 材料科 学 与工 程系 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．05．007

nly determined by the room temperaturc hardhess after heat treatment.For WC-Co sintered alloys,the H-T relation is linear up to 800C,and the relation between H and cobalt content (Co%)is also linear when Co<20%.The relation for cstimating hardness of WC-Co alloys from T (<800C)and Co (3%-20%)is presented. KEY WORDS:tool material,high speed steel,sintered carbide,high tempera- ture hardness 高温硬度这一重要的性能指标在工具材料检测和研究中一直未能起到其应有作用。迄今 高速钢的“红硬性”仍以高于回火温度的加热后之室温硬度（下降多少）为判据。各类工具 材料硬度随温度变化的规律，则更缺乏系统的研究。 二次硬化的工具钢，以回火温度为界，硬度(H)随温度(T)变化的规律有质的不同。 Tennep1)首先提出工具钢高温软化分为可逆和不可逆两类。对几种高速钢550℃以下硬度 的研究表明‘2)，不同的钢种或同一钢种经不同热处理的试样在某温度(T)时硬度的差别， 等于室温(R)硬度的差别，即△H(R)=△H(r)。但该文并未涉及H-T的关系，按所提供的数 据图表，它是非线性的。 烧结碳化物硬质合金的高温硬度测定结果，几乎一致得出在800℃以下HV值与温度间较 好地符合线性关系〔3，但成分和组织对H-T关系的影响，则仍然缺乏系统的研究。 1 实验内容及结果 采用AVK-HF(日本产)高温维式硬度计研究了二次硬化工具钢(S组)及WC-Co烧 结合金(W组)的硬度。材料成分见表1和2。试样尺寸中10mm×5mm,中心开φ2mm× 4mm盲孔（插人热电偶用）。热处理工艺，S组从各钢种正常的淬火温度淬火，多次回火， 工艺参数见表3，W组为烧结态。 测定时，冷炉抽真空到133.32×10-4Pa升温速度120℃/min,到温后通人高纯氩气，并 在操作全过程保持正压。保温10min,加载30kg,保持时间105，在高温下直接测量印痕。 每一温度测5点，共用时间约10mi。从室温开始顺序向高温测定，在保温、加载及保持的全 表1S组试样的化学成分 Table 1 Chemical composition of specimen for S group 合金元素的含量，wt% 试 样 C W Mo Cr b Co N Si、Mn、S,p M2 0.81 6.70 1.81 3.52 1.99 Normal W9 0.81 9.15 2.81 3,701.11 一 M12 1.07 1.79 9.11 3.891.23 7.98 V3N 1.0 11.7 .80 3,91 2,79 0.057 Co3N 1.0 12.49 3.16 3.7 1.c0 3.10 0,073 3Cr2WaV 0.35 7.81 2.53 U.36 ·444·

一 ， 一 ℃ ， 写 一 一 ℃ 一 · ， ， 几 ， 高温 硬度这 一重要的性 能指标在工 具 材料 检测 和研究 中一直未能起到 其应 有 作 用 。 迄 今 高速钢 的 “ 红 硬性 ” 仍 以高于 回火温度的加热 后之 室温硬 度 下降多少 为判据 。 各类工 具 材料 硬度随温 度变 化的 规律 ， 则 更缺乏 系统 的研究 。 二 次硬化的 工 具钢 ， 以 回火温度为界 ， 硬度 随温度 变化的 规律 有 质 的 不 同 。 。 。 〔 ‘ ’ 首先提 出工 具钢 高温 软化分为可逆和不 可逆两类 。 对 几种高 速钢 ℃ 以 下硬度 的 研 究表 明 〔 “ ’ ， 不 同的钢 种 或同一钢 种经 不 同热 处 理 的 试样在某温度 时硬度的 差别 ， 等 于室温 硬 度的 差别 ， 即 △万 △ 。 但 该文并未涉及 一 的 关 系 ， 按所提 供 的 数 据 图表 ， 它 是非线性 的 。 烧结碳化物 硬 质合 金的 高温硬度测定结果 ， 几乎一致得 出在 。 ℃ 以 下 值与温度间较 好地符合 线性 关 系 〔 “ ’ 但 成分 和 组织 对 一 关 系的影 响 ， 则仍然缺乏 系统 的研究 。 实验 内容及结果 声 采用 一 日本产 高温 维式硬度计研究 了二 次硬化工 具 钢 组 及 一 。 烧 结合金 组 的 硬度 。 材料 成分见 表 和 。 试样 尺 寸 拟 ， 中心开 功 盲孔 擂 人热 电偶 用 。 热处 理 工 艺 ， 组从各钢种正常的淬火 温度淬火 ， 多 次 回火 ， 工 艺参数 见表 组为烧结态 。 测定时 ， 冷炉 抽 真空到 冰 一 ‘ 升温速度 ℃ ， 到温 后通人 高纯 氢气 ， 并 在操作全过程保持 正 压 。 保温 ， 加 载 ， 保持 时 间 ， 在 高温下直接 测 量 印痕 。 每一温度测 点 ， 共 用时间约 。 从室 温开 始顺序 向 高温 测定 ， 在保温 、 加 载及 保持 的 全 表 组试样 的化 学 成 分 合 金 元 素的 含呈 ， 试 样 一 一一 ， －－ 一 － 一 －－ 一一 一、一 一一 一 红 、 、 。 。 一 一 。 。 。 。 一 一 松 工 。 了 。 了 一 忿 艺 。 忿 一 。 。 犷 。 之 。 一 忿 。 一 一

表2W组试样的成分 Table 2 Composition of specimen for W group 合金 YG3 YG6X· YG8 YG15 YG20 YG30 YG40 WC 97.06 93.80 92.28 85.72 79.85 69.88 60.27 成分，wt% Co 2.94 6.20 7.72 14.28 20.15 30.12 39.73 Fine grain alloy,others are middle grain 表了工具钢试样的热处理工艺 Table 3 Heat treatment parameters for S group 钢样 M2 W9 M42 V3N Co3N 3Cr2W8V 淬火温度，℃ 1230 1230 1200 1250 1230 1080 回火温度，℃ 560 560 530 560 560 600 保温时间，h 为 1000 9M43 900 Co3N- 1000 ●V3N 800 90c 800 700 70n 60c 600 500 500 100 400 273 473 673 873 ●Wg ,K 300H 3Cr2W8V 200 273473 673 8731073 T,K 图1二次硬化工具钢的H一T曲线 图2M42锦高温硬度(a)和不可逆软化(b)曲线 Fig.1 N-T curves of tool stccls Fig.2 High temperature hardncss (a) undergo sccondary hardening and ireversible softening curve trcatment (b)of M 2 stecl 过程中试样温度波动不超过±5℃。 二次硬化钢(S组)高温硬度测定结果如图1所示。H-T关系的性质，可按两个温度段 区分，在回火温度以下，呈线性关系： H()=H。-KsT (1) ·445·

表 组试样 的成分 合 金 凌 。 。 。 。 成分 ， 夕石 。 。 。 了 。 。 。 。 。 。 · ， 亡 表 工 具 钢试样 的热处 理工艺 、 钢 样 淬火 温度 ， ℃ 回 火温 度 ， ℃ 保温 时 间 ， 字 」。 八， 一 勺 之 、 二 尺 － 一 公 一 协 一 、 。 。 仁工二…二月一 ‘ 、 、 、 二 口 石 ‘ 。 。仁且一二 卿 ， ， 图 二 次 硬化 工具钢 的 一丁 曲线 一 丁 耳 图 钢高温 硬度 和不可 逆软 化 曲线 所示 。 万 一 关 系的 性 质 ， 可按两 个温度段 气 过程 中试样温度 波动不超过 士 ℃ 。 二 次硬化钢 组 高温 硬度测定结果如图 区分 ， 在回火温度以下 ， 呈 线性 关 系 。 一 ·

或 1(r)=HR)-s(T-R) (2) 式(1)中温度(T)按绝对温标，[，为O人时的硬度（称内菜硬度)，每种钢（在一定的热处 理条件下)的Ks为一常数。式(2)中T和R分别为高温和室温温度值。 为研究二次硬化钢高品软化的性质，还测 1410 13041 定了一组试样。按由低到高顺序在每个选定温 度测完高温硬度后冷至室温，测定其对应的室 12 温硬度。图2示出M42钢的结果。曲线相当 ]10Gt 于图1上的M42H-T曲线，b是与各高温硬度 1000 对应的室温硬度，可称为不可逆软化曲线。、 9U0 之差表明降温时硬度的升高址，即可逆软化 8U0 量；而b曲线在高温段对低温（水平线)段发 :00 生的偏离，则反映由过回火造成的软化，即不 6i) 可逆钦化量。各钢的不可逆软化曲线具有相似 5t0: 的形态。 0 VC·Co烧结合金的测定结果如图3所示。 300 i计算表明，在800C以下H-T皆呈显著的线 23 473 6 4行3 性关系。刀具模具常用的儿种低钻量的合金，硬 T,k 度下降率很接近，超过20%Co时，下降率显 图3WC-Co烧钻合金的Ⅱ一r曲线 著变小。VC颗粒度的细化可提高硬度值，但 Fig.3 I-T curves of sintered WC-Co 对软化率的影响不大，YG6X的H-T线位置与 alloys YG3儿乎相同。 3 讨 论 3,1金调材料高温硬度与温度的关系 早期，基于对若千纯金属硬度的测定，提出过压痕硬度(HV)和温度间具行分段的指数 关系〔4： H=Hoexp(-BT) (3) 温度(T)按绝对温标，H,为内禀硬度。以506左右熔点为界，B在高、低温段为两个不同的 常数值。考虑到强度性能和硬度(HB、HV)的正比关系，如将式(3)描述扩散控制过程 速度的Arrhenius方程相比较，可看出它可能近于高温或长时载荷，扩散过程对塑变起重要 作用的情况，而并不适于滑移为主要机制的低温段常规静力试验。 前已述及，烧结碳化物硬质合金的维氏硬度实测已表明在300一800℃不符合指数关系： 对单相TiC的维氏硬度（室温至1600℃）测定[51也看出，在高温段H-T近于指数关系，i <800℃时则更近于线性关系。 "当以滑移机制进行型性变形时.对流变应力的大量理论研究-一致指，它和品体的切 ·4H6·

或 ， 二 ，、 一 。 一 刀 式 中温 度 按 绝 对温标 ， 。 为 时 的 硬度 称 内禁硬度 ， 征 种钢 在一定的热 处 理 条 件下 的 。 为 一常 数 。 式 ， ， 和 分 别 为 高温 和室 温温度值 。 气 叱 、 人川 几〕 壬 ‘〕‘〕 丁 丈 、 舀 气 备 一 不 一 － 矛 了之 ， ’ ， 图 一 。 烧结合金 的 一 了 曲 线 一 ‘ 一 为研究二 次硬 化钢 高温软化的性质 ， 还测 定 一 组试 样 。 按由低 到 高顺序 在每 个选定溢 度测完高温硬 度后冷至 室温 ， 测定其 对应 的室 温硬 度 。 图 忍 示 出 人 钢的 结 果 。 曲线 相当 于 图 上 的 一 曲线 ， 是与各 荡温 硬 度 对应 的室 温 硬 度 ， 可称 为不 一 可逆软化 曲线 。 卜 、 。 之 差表明降温 时硬度 的 升 高量 ， 即 可 逆软化 觉 而 曲线 在高温 段 对低温 水平线 段发 生的偏 离 ， 则 反映 由过 回火 造 成的软化 ， 即 不 可 逆软化 童 。 各钢的不 可逆 软 化 曲线 共有相似 的 形态 。 。 烧 结合 金的 测定结果如 图 所示 。 计算表明 ， 在 ℃ 以 下 一 皆呈 显 著 的线 性关 系 。 刀具模 具常 用的 儿种 低钻 量的 合金 ， 硬 度 下降率很 接近 ， 超过 。 时 ， 下 降 率 显 著变小 。 颗粒 度的 细化可提 高硬度值 ， 但 对 软 化率的 影 响不大 ， 的 一 线位置与 儿乎相 同 。 讨 论 。 关 系 金 属材 料高通硬 度 与沮度 的关系 旱期 ， 蕊 于 对若 干 纯金属 硬 度的测定 ， 提出过 压痕 硬 度 和 温 度 间共有分 段的指数 汀 。 。 一 刀 温度 按 绝 对 温标 ， 。 为 内票硬度 。 以 左 右熔 点 为界 ， 刀在高 、 低温 段 为两 个不 同的 常 数值 。 考虑 到强度性 能和 硬 度 、 的 正 比关系 ， 如将式 与描 述扩 散控制过程 速度 的 方程相 比较 ， 可看出它 可能适 于 岛温 或 一 长时 载荷 ， 扩 散过 程对塑 变 起 重要 作 用的情况 ， 而 并不适 于滑移 为 主要机制 的低 温 段常 规 静 力试验 。 前已述 及 ， 烧结碳 化物硬 质合 金的 维 氏硬度实测 已表明在 一 ‘ 不 符合 指 数关系 对单相 的 维 氏硬度 室 温 至 。 ℃ 测定 〔 也看出 ， 在 高温 段 一 近 二卜指 数 关 系 ， 而 ℃ 时则更 近 于线性 关 系 。 当 以 滑 移 机 制进 行塑性 变形 时 ， 对流 变应 力的 大 脸理 论研究 一致 于剐 ’ 一 ， 它 和 甘体的 切 ·

变模量呈正比。对于复相合金，如果弥散相的强化作用取Orowan机制，则当硬质颗粒尺寸 和数量不变的情况下，显然也应具有上述关系。因此，在温度不太高时，温度对流变应力的 作用，应与它对参与塑变的合金相之切变模量的作用相一致。众所周知，在温度不高时金属 切变模量随温度上升而线性地下除。因此本次实验的两种材料在相和组织不发生变化时H- T关系都应当是线性的。 3.2工具钢的两类软化 (1)可逆软化表1给出500℃以下各工具钢硬度对温度的问归处理所得（式(1）)的 Ho、s值、及表征回归直线精度的2o值（一剩余标准误差）。计算表明，除3Cr2W8V钢 之外，各高速钢可逆软化的线性方程具有相当高的精度，由室温硬度计算的高温硬度，其 95%置信区间平均为±13(HV),约相当±0.3HRC。 鉴于各高速钢的Ks值相差很少，可将硬度的估算法进一步简化，即取各高速钢人s之平 均值，Ksp=0.39,建立适于各种高速钢（二次硬化到一定的硬度范围）的统一计算式： H(T)=H®)-0.39(T-R) (4) 由于KsP值在成分方面具有较广泛的代表性，故式(4)可用于工业常见各种（通用或超硬型） 高速钢工件高温硬度的估第，或由对工件(500℃以下)的高温硬度要求推算其淬火一回火 状态硬度，进行钢种和热处理工艺选择。式 表4S组试样的IH。及Ks(T773K) (4)还表明，各种高速钢工件在500C以下的 Table 4 The parameter Ho and 硬度取决于热处理状态的硬度(H()),而与 Ks(T773K)for S group 成分和热处理工艺无关。 值得指出，二次硬化钢的上述特性，并不 钢 栉 ∥o (HV) (H7K) 符合以α相为基体的铁基材料通常的情况。微 M2 972 0.37 文9 量碳的铁素体在500℃以下H-T不是线性关 wa 969 0.11 ±28 系。早已得知，低碳钢在200一300℃出现流变 Mi2 1066 0.38 主13 应力的极大值：7：，此即引起所谓兰脆现象的动 V3N 107 0.40 士4 态形变时效强化，其实质系微量溶解态的碳原 Co3N 1063 0.39 左15 3Cr2W8V 子在运动位错上形成原子（气）团8？。近期研 654 0.26 ±55 究表明「9，平衡组织的0.2%一1.2%C碳钢 H-T曲线在200一500℃出现平台，低碳钢甚至出现极大值。二次硬化状态的工具钢，其a, 相中的溶解碳量比平衡组织高得多1？，而可逆软化却呈线性规律，这表明'相中的碳原子 处于一种特殊的、被“固定”的状态，不发生-一般铁素体巾那种气团形成过程。上述认识， 对研究二次硬化状态的基体'相之结构本质，可能是很有参考价值的。由此，可联想到本实 验3Cr2W8V铁的H-T(T<773K)线性特征的显著性最差，200C附近硬度下降率小于其他 温度，可能和该钢试样的回火温度高，超过硬度蜂值有关。 (2)不可逆软化由各钢的不可逆软化曲线（图2b)可，不可逆软化量随温度的变化 为： 1HTR=H<773)-Hm) (5) ·447·

变模 量呈 正 比 。 对于复相 合金 ， 如 果 弥散相 的强化作 用取 机制 ， 则当硬质 颗粒尺寸 和数 量不 变的情况 下 ， 显 然 也应具 有 上 述关 系 。 因 此 ， 在温度不 太高时 ， 温度对 流 变应 力的 作 用 ， 应 与它 对参与塑 变的合 金相之 切 变模 量的 作用相 一致 。 众 所 周知 ， 在温 度不 高时金 属 切 变模 量 随温度上 升而 线性 地 下降 。 因此本 次实验 的 两 种材料 在相 和 组织不发 生 变 化 时万 关 系都应 当 是 线性 的 。 。 工 具 钢 的两 类 软化 可 逆软化 表 选 给 出 以 下各工具钢 硬 度对温 度 的 回 归 处 理 所 得 式 的 万 。 、 值 、 及表 征 回归 直线精 度 的 值 一剩 余标准 误 差 。 计算表 明 ， 除 钢 之 外 ， 各 高速钢 可逆软化 的 线性 方 程 具有 相 当高的精度 ， 由室 温 硬 度计算 的 高温 硬 度 ， 其 置 信区 问平 均 为 士 ， 约相 当 士 。 鉴于各高速钢 的 值 相 差很少 ， 可将 硬度 的估算 法迸 一 步简化 ， 即 取各高速钢尤 之 平 均值 ， 。 ， 建 立适 于各种 高速钢 二 次硬化 到 一定的 硬度 范 围 的 统 一 计算 式 万 一 一 奋 由 于尤 值 在 成分 方 面具有 较 广泛 的 代 表性 ， 故式 可 用 于工 业常 见 各 种 通 用 或超 硬 型 高速钢工 件 高温硬 度的 估 算 或 由对 工件 ℃ 以 下 的 高温硬 度要 求推算其 淬 火一 回火 状态 硬 度 ， 进行钢 种和热 处 理 工 艺 选 择 。 式 表 组试 样 的万 。 及 毛 还 表 明 ， 各 种 高速钢 工 件在 ℃ 以 下 的 二 二 月 二 二 。 、 ， ， 二 心 认 ， 仃 一 ， 「闺 必 阴 上 一 仙 口 。 勺 以 ’ ” ” 硬 度取决 于热 处 理状态 的 硬 度 万 。 ， 而 与 。 ， 二 、 。 二 、 二 二平 了 凡 二‘ 。 、 ， 。 二 、 一 、 。 ， ， ，，，‘ 、 凡 趁 成分和热 处理工 艺无关 。 「 一 一 值得指出 ， 二 次硬化钢 的上 述特性 ， 并 不 钢 样 、言寻 。 、 铆 ， 、备 符合 以 。 相 为基体的 铁 基 材料通常 的情况 。 微 一而奋一 一 一 蕊 一 一 丽弄一几丁 一 量碳的 铁素体在 以 下 一 不 是线性 关 。 。 。 。 ， 、 系 。 早 已得知 ， 低碳钢 在 一 ℃ 出现流 变 、 划 应 力的极大值 〔 二 ， 此即 引起 所谓 兰 脆 现象 的 动 们 。 士 态 形 变时效强 化 ， 其 实质 系微 量溶 解态 的 碳原 ’ 之 ‘ 子 在运动位错上形 成原子 气 团 〔 〕 。 近 期研 全生竺兰几 翌 ‘ 生兰 ‘ 十灵… 究表明 〔 〕 ， 三乒衡 组织 的 。 一 碳钢 一 曲线在 一 ℃ 出现平 台 ， 低 碳 钢甚至 出 现极 大值 。 二 次 硬化状态 的 工 具 钢 ， 其 ， 相 中的溶 解碳 量 比平衡组 织 高得 多 〔 ‘ 。 〕 ， 而 可逆 软化 却呈线性 规 律 ， 这 表 明 ‘ 相 中的碳原子 处于 一种特殊的 、 被 “ 固 定 ” 的 状 态 ， 不 发 生一 般铁 素体 中那 种 气 团形 成过程 。 上述认识 ， 对研究二 次硬化状 态的 基 体 ‘ 相 之 结 构本质 ， 可 能是很有参考价值 的 。 由此 ， 可联想到 本实 验 铁的 一 线性特 征的显著性 最差 ， ℃ 附近 硬 度下降率 小 于其 他 温 度 ， 可 能和该 钢 试样的 回火温度 高 ， 超 过硬度峰值有关 。 不 可逆 软化 由各钢的不 可逆软化 曲线 图 可知 ， 不 可逆 软化 量随温度 的 变化 为 “ ’之 、 一 飞 ， ， ‘