超硬高速钢二次硬度的碳饱和度判别法

D0I:10.13374/j.is8m1001-053x.1986.03.003 北京钢铁学院学报 1986年9月 Journal of Beijing University No.3 第8期 of Iron and Steel Technology Sept.1986 超硬高速钢二次硬度的碳饱和度判别法 陈景榕 (材料系) 摘 要 碳饱和度A一Cs/C,Cg一钢中碳含量：Cp一碳参量，它正比于碳化物形成元 素含量，由G.Stevonl2式确定.本文确定了在碳饱和度(4)一淬火温度(T淬) 一二次硬度(HRC回)三者之间的关系，从而证明，①用A作为成份参数来判别钢 的二次硬化能力是可行的，②A值还可用于对其体成份（炉号）为达到某硬度选择 合适的淬火温度。还根据上述原则研究了几种合金元素对W12.Mo3、Cr4,V3 钢系二次硬化性能的影响，并讨论了高速钢中常用元素的互换性问题。 关键词：高速钢，超硬，二次硬化 The Method to Evaluate the Secondary Hardness of Superhard High Speed Steel with Saturation Level of Garbon Chen Jingrong Abstract The Saturation Level of Carbon (A )is defined as Cs/Cp.Cs-carbon content of steel;Cp-a parameter of carbon in proportion to the contents of carbide forming elements in steel,presented by G.Steventa.The relationship between three factors are established in this paper,i.e. saturation level of carbon (A),quenching temperature Ta)and secondary 1985一12一19收到 17

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 扭嗯曰 超硬高速钢二次硬度的碳饱和度判别法 陈景榕 材料系 摘 要 喂爵 碳饱和度 ， 一钢中碳含量 一碳参量 ，它 正比于碳化物形成元 素含量 ， 由‘ 价 式确定 。 本文确定了在碳饱和度 一淬火温度 淬 一二次硬度 回 三者之间的关系 ，从而证 明 ，①用人作为成份参数来判别钢 的二次硬化能力是可行 的 ，② 值还可用于对具体成份 炉号 为达到某硬度选择 合适的淬火温度 。 还根据上述原则研究了几种合金元素对 钢系二次硬化性能的影响 ，并讨论了高速钢中常用元素的互换性问题 关徽词 高速钢 ，超硬 ， 二次硬化 叫甲要 ， 一 。 一 义 ， 妞脚 ， 甲 ， 了 一 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．03．003

hardness HRC).This work confirms that the value of A can be used as a composition parameter to evaluate the secondary hardening ability of steel,and that a can also be used to choice the quenching temperature of individual heat for certain object of selected secondary hardness. Furthermore,the influence of several alloying elements on secondary hardening ability of steels containing W12,Mo3,Cr4 and V3 had been investigated,and the interchange ability between elements in high,speed steel had also been discussed, Key words:high speed steel,superhard,secondary hardness 前 言 为获得高的二次硬化能力，P.Payson1)早年提出高速钢中合金元素和碳量之间可 能存在某种“平衡”(Balance)关系。G.Steven(2)在开发超硬高速钢(M41)时根据 上述设想及W.Craftsc3)关于马氏体二次硬化的研究，得出下述关系式： C=0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V (1) 式中各元素符号代表它们在钢中的重量百分数。国内称这个计算值为“平衡碳”，本文 下面将用CP表示之。式(1)的提出者对它作了详尽的理论解释，但相分析及计算证明4 了它的经验性，指出它仅为长期来人们使用的定比碳法则在获得超硬性时的一个发展。 定比碳法则及Steven计算式受到技术界的重视，在此基础上发展了一些成份控制 技术，如1967年公布的5)的平衡碳与实际碳量差值（△C)控制法，1977年(6）V:C比 值法及稍后c)对C有效（钢中C、N等间隙元素的“碳当量”)及C计算（平衡碳量）分别 控制法。作为成份控制（微调）技术(8)，上述都是建立在承认某种成份参数（差值、比 值)和钢的二次硬化能力有关这一粗略概念的基础上。但高速钢的二次硬度除和成份有关 之外，还和淬火温度有关。而钢的成份对淬火过程的相变（碳化物溶解、过热组织的出 现)又有明显作用。因此，如果能搞清成份参数一淬火温度一二次硬度三者之间的相互 关系，就不仅可解决成份微调问题，还可针对不同合金化参数选择合适的淬火温度达到选 定的二次硬度。 本研究选定的合金化参数称为“碳饱和度”〔9)： A-号 (2) C:为钢中碳含量，Cr为平衡量。对于含氯钢，上式近似地修正为10)： he.CN (8) 1实验方法 研究用钢的成份如表(1)所示。序号1~9为“V3N”钢。在一般治炼允许范 18

主 、 公 兮 ， 丫 。 ， ， ， ， 八 归诊 上五 主。 又 单 五抢 。 ， ， 月 舌 为 获得 高的二次硬 化 能力 ， 山 早年 提 出高速钢 中合 金元 素和碳 量 之 间可 能 存在某种 平衡 ” 。 关 系 。 〔 〕在开发超硬 高速钢 时根据 上述 设想 及 〔 ” ，关于乌氏体二次硬化的研究 ， 得 出下述关 系式 。 式 中各元 素符号代表它们在钢 中的重量 百分数 。 国内称这个计算值为 “ 平衡碳 ” ， 本 文 下面将用 表示 之 。 式 的提 出者对它作 了详尽的理论解释 ， 但相分析及计算证 明〔 了它 的经 验性 ， 指 出它 仅为长期来人们 使用的 定 比碳法 则在 获得超硬 性时的一个发展 。 定 比碳法 则及 计算式受 到技术界的 重视 ， 在此基础 上发展 了一些 成份 控 制 技术 ， 如 年公布的 〔 〕的平衡碳与实际碳量 差值 △ 控制法 ， 年 〕 比 值法 及稍后〔 〕对 有效 钢 中 、 等 间隙元 素的 “ 碳 当量” 及 计算 平衡碳量 分别 控制法 。 作为成份控制 微调 技术〔 “ 〕 ， 上述 都是建立在承认 某种 成份参数 差值 、 比 值 和钢的 二次硬化能力 有关这 一粗略概念的基础上 。 但高速钢的二次 硬度除和成份有关 之外 ， 还和淬火温度有关 。 而钢的成份对淬 火过程的 相变 碳 化物溶解 、 过热组织 的 出 现 又 有 明显作用 。 因此 ， 如果 能搞清成份参数一淬火温度一二次硬度三者之 间的相互 关 系 ， 就不仅可解决成份微调 问题 ， 还可针 对 不 同合金 化参数选择合 适的 淬火温 度达 到选 定的 二次硬度 。 本研究选定 的合金 化参数称 为 “ 碳饱和度” 〔的 。 生 二 叫 一二汾 七 为钢 中碳 含量 ， ， 为平衡量 。 对于 含氮钢 ， 上式近似地 修正 为‘ ” 、 。 二 。 ， 实验方法 研究 用钢 的 成份 如表 所示 。 序号 为 “ ” 钢 。 在 一般冶炼允 许 范

围或个别略超过的情况下，选取这些C、N及W、M。、C:、V量随机变化的钢，获得 不同的或相同的AC.N值。序号10一16用于观察几种合金元素对二次硬化的作用。试验 钢采用感应炉冶炼成10一15kg锭，锻成12×12mm材，860℃退火后加工成10×10mm断 面条形试样，在1200-1280℃间淬火，560℃四次回火（每次一小时，中间冷到室温）， 测定硬度。 表1试验钢的化学成分及A值 Table 1 Chemical composition and Ac,N (A)value of experimental steels Number Content of alloying elements,wt Order of Cp Cs heat Mo Cr 中 other AC.N BU 1.29 14.502.94 4.83 3.61 0.050 1.675 1,3g0 0.80 po 1,23 12,66 3.35 4.25 3.23 0.075 1.539 1,305 0.85 B1 1.10 12.402.90 3.94 2.60 0.050 1,348 1,150 0.85 D5 1.29 12,62 3.25 4.33 3,14 0.075 1,509 1.365 0.90 D6 1.33 12.10 2,93 4,62 3,30 0.063 1.517 1,343 0.92 B2 1,25 11,90 3.06 3.90 2.80 0,045 1,392 1,295 0.93 B4 1,24 11.90 2.94 3.90 2.83 0.047 1,372 1,287 0,94 8 B6 1,35 11,75 3.04 4,00 2.94 0.044 1.407 1.349 0.99 9 B7 1,33 12.10 2,86 3.85 2.59 0.047 1.329 1.337 1.04 10 Di 1.24 12,72 3.35 4.26 3,44 0.041A11.20 1,574 1.281 0.82 11 D2 1.14 12.72 3,42 4,27 3,41 0.075Cu11.21.573 1.215 0,77 12 D3 1.30 12.80 3.31 4.20 3.22 1.526 1.300 0.85 13 D4 1.25 12.60 3,28 4.27 3,40 0.074RE00221.559 1,324 0.85 14 D7 1,13 12.32 3.27 4.32 3,18 0.054Ni1.101,507 1,184 0.79 15 D8 1,10 11,58 2.86 2.24 3,05 0.068 1.307 1,168 0,90 16 Dg 1.19 10,40 2.90 4.05 3.020.076 1.3721.2660.92 ◆一Analytical Value 2,实验结果和讨论 2.1Ac.N一T淬一HRC回之间的关系 图1示出九个炉号硬度测定结果。当淬火后出现过热组织（网状碳化物、菜氏体） 时，硬度变化将失去规律性，因此本图不包括过热的情况。这样，1270一1280℃就只剩 下少量的数据。1260℃以下各温度谇火时，二次硬度与Ac·N关系均较好地按淬火温度形 成列线分布。由此可推出任一硬度下A©，N和淬火温度的对应关系，并作出等硬度曲线 如图2所示。图的右上方有一个过热区，这个区的边界是由对淬火试样的组织观察估计 得出的。全图划为六个区，除过热区内硬度值不定之外，其他每个区中硬度应处于某一 确定范围，如I区为HRC62一66，Ⅱ区为HRC66-67,余类推。显然，对于超硬高速 钢，人们关心的是Ⅲ一V区。图中三角状的点是从图1列线推出（据此作出各条等硬度 线)，圆点及×号是九炉钢共43个试验方案，硬度测定结果标在近傍，圆点表明淬火 组织正常，×号表明有过热组织。除三个点（用方框标出）之外，硬度和组织均与所在区 19

围或个别略超过的情况 下 ， 选取这些 、 及 、 。 、 、 量 随机变化的 钢 ， 获得 不同的或相 同的 值 。 序号 一 用于 观察几种合金元 素对二次硬 化的 作 用 。 试 验 钢采用感 应炉冶炼成 一 锭 ， 锻成 材 ， ℃ 退火后加工 成 断 面 条形试样 ， 在 一 ℃ 间淬火 ， ℃ 四次 回火 每次 一小 时 ， 中间冷 到室温 ， 测定 硬度 。 表 试 验 钢 韵 化 学 成 分 及 值 。 血 …几下黑坚黑妙奥蒸或 一 一立 」里舀一止竺理一止上兰 上」一 匕竺一止二竺三 。 。 · 组，几八‘ ，‘匕几八斑 … 乙几八几乃 任山内‘妞今勺，，月日 ﹄了口曰口八材‘ 勺曰八，‘了一︸ … 八“，工八八丹八︸ 。 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 · 。 · 。 · 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 汽口丹八 叹甘甘孟 … ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ﹄己性︸了曰内上，， 土，上弓，一土二土几‘，人二上弓，几孟︸，且 ‘几舀上，任﹄︸︸ 几，，之二，二占二 一 了 实验结 果和讨论 。 一 淬一 回之 间的关系 图 示 出九个 炉号硬度测定结果 。 当淬火后 出现过热组织 网状碳 化物 、 莱氏体 时 ， 硬度变化将失去规律性 ， 因此本 图不包括过热的情况 。 这 样 ， 一 ℃ 就只剩 下少量 的数据 。 ℃ 以下各温度淬火时 ， 二次硬 度与 。 、 关 系均 较好地 按淬 火温 度 形 成列线分布 。 由此 可推 出任 一硬度下 。 、 和淬火温 度的对应关 系 ， 并作 出等硬度 曲 线 如图 所示 。 图的右上方 有一个过热 区 ， 这个 区的边界是 由对淬 火试样的组织 观察估计 得 ’ 出的 。 全 图划 为六个 区 ， 除过热 区内硬 度值不定之外 ， 其他每个 区 中硬度 应处于 某一 确定范 围 ， 如 区为 一 ， 区为 一 ， 余 类推 。 显然 ， 对于 超 硬 高速 钢 ， 人们 关心的是 班一 区 。 图 中三 角状的 点是 从图 列线推 出 据此 作 出各条等硬度 线 ， 圆点及 火 号是 九 炉 钢 共 个试验方案 ， 硬 度测定结果标在近 傍 ， 圆点表 明淬火 组织正常 ， 火 号表 明有过热组织 。 除三个 点 用方框标 出 之外 ， 硬度和组织 均与所 在 区

62 ≥ 66 ● 6 ●1200 常1270 64 01250 ●1280 口1260 62 △10 .0,80 0.85 0.90 0.95 1,001.5 △e, 图1.不同碳饱和度的V3N纲12u0一1280℃淬火560℃四次回火后的硬度. Fig.l Hardnss of steel V3N with different saturation level of carbon after qnonching from 1200-1280℃tempering for4 times4t560℃. 1280 95 66.8 20 602 、69.768.4 V68.8 67.2 126 6 69 62 69.7 69 69.1 61 69.0 1240l 6.2 ●66.4 HRC69 e 6 se8.7 8 6 HC56 BRC68 120 65.9 67.1 HRC67 NHnc6e-6的 I BRC62-66 I I 1200 6.6 674 650 66 669 66 0.8 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 DO D5D624 B6 B7 Ac,N 图2。根据图1作出人c,N一T淬间的等硬度曲线。 Fig.2 Isohardness curves relating Ac.N to Tq made from Fig.1. 相符。 上述结果表明，在HRC66一69范围，对应每一硬度值，在Ac,N和T淬之间可求出 一定的数值关系。例如，HRC68的等硬度线近于下式： T淬=1770-580Ac.N (4) 对任一选定的硬度值，这种关系当然仅在A·大于一定数值后才成立，但本次实验未 能测出这些界限。从工业应用的角度，图(2)与其说给出了等硬度线，不如说在超硬 型钢常用的Ac·N范围给出了几个足够窄的硬度区间，形成了一种对二次硬度的判别法。 显然，对每种高速钢都可以测出此种成份(A)一淬火温度(T淬)一二次硬度(HRC回) 三者之间的关系图。 20

西妇“必印私仍公砧自 勺川‘口曰 幽 、之沁 褪气荡一气龙，，病厂，礴犷一节犷一 二 抽 图 不同碳饱和度的 钢 。 。 一 。 ℃ 淬火 ℃ 四 次回火后的硬度 。 一 一 贾 丫 二 一 ℃ ‘ 一 ℃ 。 图 · 根据图 作出 一 淬间的等硬度曲线 。 悦 口 名 。 相符 。 上述结果表 明 ， 在 一 范围 ， 对应每一硬度值 ， 在 。 、 和 淬之间可 求 出 一定的数值关 系 。 例如 ， 的等硬度线近于 下式 淬 一 。 。 、 对任一 选定的硬度值 ， 这种关 系当然 仅在 。 。 ， 大于 一定 数值后才 成立 ， 但本次实验 未 能测 出这些界 限 。 从工业 应用 的 角度 ， 图 与其说给 出 了等硬度线 ， 不如说在超硬 型钢常 用的 。 。 、 范围给 出 了几个足够窄的硬 度区间 ， 形 成 了一种 对二次硬度的判别法 。 显然 ， 对每种 高速钢都可 以测 出此种 成份 一 淬 火温度 淬 一 二次硬 度 回 三者之间的关 系图

图3表明，钢在不产生过热的前提下能够达到的最高二次硬度和抗回火性(“红 硬性”)取决于Ac.N°Ac,N为0.80的V3N钢硬化能力仅相当于普通高速钢，提高 Ac·N值到0.85左右时达，硬化能力及抗回火性皆迅速上升，达到一般超硬型高速钢所要 求的低限水平，Ac.N0.9左右时，二次硬度和红硬性达到最高，直到1.04未发生变化。 但是，上述钢的最大二次硬化能力并不能全面代表钢在生产中的可用性。从应用的 角度，还要考虑获得高硬度值的难易。从图2可知，为获得HRC68一69，对Ac·N为0.98 左右的钢，可采用1200一1240℃淬火（这个范围是相当宽的），而其上限距过热还有20℃， 而对Ac.N为0.85的钢，必须在1280℃或更高淬火。HRC69等硬度线和过热区的距离在低 的Ac·N时趋于接近，所以后者虽然有可能获得超高硬度，但在工业上是行不通的。若 钢种设计的目标为HRC67一68，则按上述原则Ac.N允许降到0.90左右。 出上可见，图2所示的关系可用于钢种成份设计、治炼成份控制（微调）及淬火温 度选择，综合性地解决了超硬高速钢的二次硬度问题。当然，一个工业用钢种之设计， 还必须考虑强度、韧性及综合工艺性能11)。 2.2添加元素对二次硬化的作用 人们力图通过加入某种较廉价的元素改善二次硬化性能，代替C0的作用，重要的 问题是应当搞清如何判断一个合金化方案的优劣。在相同的碳饱和度下观察添加或增减 某元素时硬度的变化，应当成为元素作用的正确判别法。 (1)氮的作用 氮是近十五年来最受重视的添加元素之一。它对组织有良好作用12)，但对硬度的 影响未有定论。近期报导(13)在加人0.086%N时可提高二次硬度2-3HRC之多。 从图1已初步看出氨在0.04%到0.08%之间的变化并不影响Ac.N一HRC的关系。 图4则指出在A值相同时，加N0,08%(D0炉)和不加N(D3炉)具有相同的二次硬 度。说明，氮(0.08%以下)并不比碳产生更大的硬化效果。正是根据这一概念，在超硬 高速钢成份设计中可以采用“以N代替部分 C”的措施，并由于N在改善剩余碳化物组 织方面的有益作用而获得了综合性能优良的 无钴超硬型钢。 66 (2)稀土元素加入含氮钢中的作用 64 稀士元素作为改善热塑性之添加剂而在 海如1项神E的r】养车广户年申 。eaietende toL特特P时：6CoE,48 高速钢中得到应用，但图4表明它会损害这 44awg7K时4t 种钢的二次硬化性能。这种异常的结果可能 60 由于RE固定氮所造成。 58 0,B00.B50.900.931.001.05 (3)Cu、A1、Ni的作用 Ac:N 非碳化物形成元素A1在国内关于无钻 图3，V3N钢最高二次硬度.抗回火性(600℃加热 超硬高速钢的研究中得到重视14,15)，Ni和 四小时后的硬度)与碳饱和度的关系， Fig.3 Maximum secondary hardness and Cu也从不同的方面与Co有某些相似性：。图 rasistance to tempering (hardness after 5中收入的四炉钢，虽然Ac.w值稍有不同， heating at 600Cfor 4h of steel V3N VS satur- ation level of carbon. 21

图 表明 ， 钢在不产生过热的前提下能够达到的最高二次硬 度和抗回 火 性 “ 红 硬 性 ” 取决于 。 ，“ 。 ， 为。 的 钢硬化能力仅相 当 于 普 通 高 速 钢 ， 提 高 。 ， 值到 左右时达 ， 硬 化能力及抗回火性 皆迅速上升 ， 达 到一般超硬型 高速钢所 要 求的低限水平 。 、 左右时 ， 二次硬度和红硬性达到最高 ， 直到 未发生 变化 。 但是 ， 上述钢的 最大二次硬 化能力并不能全面代表钢在生 产中的可用 性 。 从应用的 角度 ， 还要考虑获得高硬度值的难易 。 从图 可知 ， 为获得 一 ， 对 、 为 左 右的钢 ， 可采用 。一 ℃淬火 这个范 围是 相当宽的 ， 而其上限距过热还有 ℃ ， 而对 。 ， 为 的钢 ， 必须在 ℃或更 高淬火 。 等硬度线和过 热区的 距 离在低 的 。 、 时趋于 接近 ， 所 以后者虽然 有可能获得超 高硬度 ， 但在工业 上是行 不 通 的 。 若 钢种设计的 目标为 一 ， 则按上述原则 。 ， 允许降到 左 右 。 由上可见 ， 图 所示的关 系可用于钢种成份设计 、 冶炼成份控制 微调 及淬火温 度选择 ， 综合性地解决 了超硬高速钢的二 次硬度问题 。 当然 ， 一个工业 用钢 种之设计 ， 还必须考虑强度 、 韧性及综合工艺性能〔 〕 。 添加元素对二 次硬化 的作用 人们 力图通过加 入某种较廉 价的元 素改善二 次硬 化性能 ， 代替 。 的作用 ， 重 要 的 问题是 应当搞清 如何判 断 一个合 金 化方案的优 劣 。 在 相 同的碳饱和 度下观察添加 或增减 某元 素时硬度的 变化 ， 应当成为元 素作用的 正 确判别 法 。 氮的 作用 氮是近 十五 年来最受重视的添加元 素之 一 。 它 对组织 有良好 作 用 〔 ‘ 幻 ， 但对硬度 的 影响未有定论 。 近 期报导〔 〕在加 入 时 可提高二 次 硬度 一 之 多 。 从图 已 初步看 出氮在 到 之间的 变化并 不影响 。 、 一 的关 系 。 图 则指 出在 值 相 同时 ， 加 炉 和 不加 炉 具有 相 同的 二次 硬 度 。 说 明 ， 氮 以下 并不 比碳产生更大的 硬化效果 。 正是 根据这 一概念 ， 在超 硬 高速钢 成份设计 中可 以采用 “ 以 代替部分 ” 的 措施 ， 并 由于 在改 善剩 余碳 化 物组 织方面的 有益作用而 获得 了综合性能优 良的 无钻超 硬型钢 。 稀土元 素加 入含氮钢 中的作 用 稀土元 素作为改 善热 塑性之添加剂 而 在 高速钢 中得到应用 ， 但 图 表 明它 会损害这 种钢的 二次硬化性能 。 这 种异常的结果 可能 由于 固定 氮所造 成 。 、 、 的作 用 非碳化物 形 成元 素 在 国 内关于 无 钻 超硬 高速钢 的研究 中得到重视〔 “ ， 〕 ， 和 也 从不 同的 方面 与 。 有某些 相似性 。 图 中收 入 的 四 炉钢 ， 虽然 值稍 有不 同 ， 牙翔 ‘ 的心一 一护， 熟一 一 ，一‘ 一‘ ， ‘ ‘ ‘二即 奋材 ‘ 石闰 忆 为扮 舀 玉 一 ‘ ， 卜 目 一 ‘ ， 一一 ， 一 一 一一一‘ 一一一 一 幻 。 ， 。 沁 一 ，， 哥 。 ， 盛 种 图 钢最高二次硬度 抗 回火性 ℃ 加热 四 小时 后 的 硬 度 与 碳饱和 度的 关系 ℃ 通 ‘