热处理工艺制度对T钢组织与性能的影响
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y
金属材料综合实验
题目：热处理工艺制度对T10钢组织与性能的影响
学院名称：材料科学与工程学院
专业班级：金属1202
姓名：马英
学号：31
小组成员：任宁庆、韦明敢、李鑫宇
指导老师：邵红红、王兰、吴晶老师
2016年1月
热处理工艺制度对T10钢组织与性能的影响
一、实验内容
1、T10钢概述
目前常用的碳素工具钢有T8、T10、T12,其中T10用量最多。T10钢优点是可加工性好，来源容易；但淬透性低、耐磨性一般、淬火变形大。因钢中含合金元素微量，耐回火性差，硬化层浅，因而承载能力有限。虽有较高的硬度和耐磨性，但小截面工件韧性不足，大截面工件有残存网状碳化物倾向。T10钢在淬火加热（通常达800℃）时不致于过热，淬火后钢中有过剩未溶碳化物，所以比T8钢具有更高的耐磨性，但淬火变形收缩明显。由于淬透性差，硬化层往往只有～5mm；一般采用220～250℃回火时综合性能较佳。热处理时变形比较大，故只适宜制造小尺寸、形状简单、受轻载荷的模具。
2、T10钢化学成分
碳 C ：～（Tχ，χ：碳的千分数）硅 Si：≤
锰 Mn：≤
硫 S ：≤
磷 P ：≤
铬 Cr：允许残余含量≤≤(制造铅浴淬火钢丝时)
镍 Ni：允许残余含量≤≤(制造铅浴淬火钢丝时)
铜 Cu：允许残余含量≤≤(制造铅浴淬火钢丝时)
注：允许残余含量Cr+Ni+Cu≤(制造铅浴淬火钢丝时)
3、T10钢适用范围
这种钢应用较广，适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，如车刀、刨刀、钻头、丝锥、扩孔刀具、螺丝板牙、铣刀手锯锯条、还可以制作冷镦模、冲模、拉丝模、铝合金用冷挤压凹模、纸品下料模、塑料成型模具、小尺寸冷切边模及冲孔模，低精度而形状简单的量具（如卡板等），也可用作不受较大冲击的耐磨零件等。
二、实验原理
C平衡相图及过冷奥研究T10钢经退火、淬火、回火后的组织，需要运用Fe-Fe
3
氏体等温转变曲线图—C曲线从加热和冷却2个方面进行分析，钢在冷却时的组织转变规律是由C曲线确定的。因此，研究钢热处理后的组织通常以C曲线为理论依据。
按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以发现过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。T10钢是过共析钢，过共析钢的C曲线跟亚共析钢的相似，先析出的是渗碳体。随着冷却速度的增大，钢的显微组织变化是：渗碳体+珠光体→渗碳体+索氏体→渗碳体+托氏体→托氏体+马氏体+残余奥氏体→马氏体+残余奥氏体。为了使渗碳体呈球状并且均匀分布，改善切削加工性能，为最终热处理做好组织准备，碳素工具钢必须先进行球化退火。碳素工具钢经不完全淬火和低温回火，硬度在58～64HRC范围，可作为低切削的刃具和形状简单的冷冲模。
本实验重点研究这些热处理工艺对T10钢的组织与性能的影响。
三、实验流程工艺
1、球化退火
表1 球化退火工艺参数
含碳量大于%的高碳钢或工具钢一般采用球化退火作为预备热处理，如果有二次网状渗碳体的存在，则应先进行正火消除网状渗碳体。
球化退火是使钢中碳化物球化，获得球化体的一种热处理工艺。球化效果作用于T10钢，其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火作组织准备，因为球状组织不易过热，即球体溶入奥氏体较慢，所以奥氏体晶粒不易长大，淬火后组织为隐晶马氏体，且淬火开裂倾向小。 T10碳素工具钢，一般采取球化退火，使渗碳体成球状均匀分布，若锻件沿晶界出现网状碳化物时，则先进行正火处理，消除网状碳化物，然后进行球化退火。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性能，并为淬火作组织准备。因为球状组织不易过热，即球体溶入奥氏体慢，所以奥氏体晶粒不易长大，淬火后组织为隐晶马氏体，且淬火开裂倾向小。常用的球化退火工艺如图1所示（以T12为例）。图a为一次加热球化退火工艺，要求退火前的原始组织为细片状珠光体，图b是目前生产上应用较多的球化退火工艺，图c为反复球化退火工艺。
图1 常用的几种球化退火
以上20～30℃保 T10钢是高碳钢，实验采用图b球化退火工艺，将其加热到A
c1
温4h后，再以30～40℃/h冷却到700℃等温4h，再炉冷到600℃出炉。
球化退火实现了碳化物快速球化的关键在于通过控制相变的热力学和动力学来改变奥氏体向珠光体转变的模式-从传统的片层转变机制改变为“离异共析”的转变形式。“离异共析”的转变形式是将奥氏体奥氏体直接转变成球状珠光体，时间大为缩短。为此，在加热过程中奥氏体转变完成之后必须在奥氏体基体上残留足够的未溶碳化物颗粒作为随后冷却过程中珠光体离异共析转变的核心。快速球化退火工艺去除加热时间和冷却时间，奥氏体化保温时间和等温转变时间总和仅需2h（时间与工件大小无关）。
对于工具钢而言，有时可以采用调质处理来代替球化退火，这样不但省时省电，完全可以达到球化效果，而且经调质后的粒状珠光体，比球化退火后的粒状珠光体更细小，更均匀，更有利于最后的退火。T10钢球化退火金相图例如下：
图2 T10钢球化退火P组织 500X
2、不完全淬火
表2 T10钢淬火工艺
方案加热温度
/℃
冷却规范
硬度
HRC 冷却介质
冷却介
质温度
/℃
冷却程
度
再冷
却到
20℃
的介
质
Ⅰ
770～790 水
20～40
至200～
250℃
油冷
62～64
Ⅱω(NaCl)5%水溶
液
62～65
Ⅲω（碱）5%～
10%水溶液
62～64
T10钢淬透性低，容易产生变形和淬裂，需要用盐水或碱水水冷却。另外碳素工具钢对过热敏感，晶粒容易长大，所以采用不完全淬火其淬火温度一般是在碳化物与奥氏体共存的两相区内（A
c1
以上30～50℃）。这是由于碳化物的存在不仅可以阻止奥氏体的长大，使碳素工具钢保持较小晶粒，从而能在高硬度条件下保证具有一定的韧性，而且剩余碳化物的存在也有利于模具耐磨性的提高。为防止过热，选取最低的淬火加热温度(760～780℃)，为防止淬火开裂，必须在淬火方法上实现均匀冷却。
在实际生产中，只有在大型工件或装炉量很多的情况下，才能把升温时间和保温时间分开考虑。由于淬火温度高于相变温度，所以升温时间包括组织转变的时间。保温时间实际上只要考虑碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化所需时间即可。
确定淬火加热时间是个较为复杂的问题。到目前为止，还没有一个可靠的计算方法，一般用经验公式来计算，通过试验最终确定。常用经验公式为
t=α·K·D （1）式中：t为加热时间（min）；α为加热系数（min/mm）；K为装炉修正系数；D为工
件有效厚度。加热系数α表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。T10钢淬火金相图例如下：
图3 T10钢760℃水淬组织 500X
（隐晶马氏体+粒状碳化物+少量Ar）
3、低温回火
对于要求高的硬度、强度、耐磨性及一定韧性的淬火工件，通常淬火后再150℃～250摄氏度之间进行回火。回火后得到隐晶的回火马氏体及在其分布均匀的细小碳化物颗粒组织，硬度一般可达61～65HRC。低温回火主要用于各种高碳钢制作的切削工具、冷做模具。
为了避开200～300℃之间出现的低温回火脆性，本次实验采用180℃低温回火，回火保温时间2h。
四、实验步骤
1.选择T10钢零件4个。
2.试样预处理：T10钢分析并检测其性能（硬度、金相组织、冲击韧性、抗拉强度），观察是否有网状渗碳体（如果有正火去除）
3.热处理工艺：将T10钢加热到A
以上20～30℃保温4h后，再以30～40℃/h冷却
c1
到700℃等温4h，再炉冷到600℃出炉（球化退火），观察组织并测试硬度，计算出淬火保温时间，确定淬火加热温度(760～780℃)，进行淬火并且观察组织，180℃低温回火2h，最后测试硬度、冲击韧性及抗拉强度。
表3 T10钢最终热处理工艺规范
五、实验检测
1、硬度：HRC
2、工件的有效厚度：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边边长，板件取板厚，套筒累工件取壁厚，圆锥体取离小头2/3长度处直径，球体取球径的倍作为有效厚度。
3、金相组织
六、实验数据
、金相组织
图4 等温球化退火后组织（×400）
图5 780℃直接淬火（400×）
图 6 球化退火后的780℃直接淬火后组织（400×）
图7 780℃直接淬火+低温回火2h (400×)
七、实验小结
这次课程实验，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。在老师的谆谆教导，和同学们的热情帮助下，使我找到了信心，其中每一个数据都要从图书馆借阅的电镀手册上查找或者所学课本及网上来找到出处。虽然种种困难我都已经克服，但还是难免有些疏忽和遗漏的地方。完美总是可望而不可求的，不在同一个地方跌倒两次才是最重要的。抱着这个心理我一步步走了过来，最终完成了我的实验任务。
十几天的综合课程实验结束了，在这次实验的过程中我学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在今后的学习中,我一定要戒骄戒躁,态度端正,虚心认真。要永远的记住一句话:态度决定一切。在没有做课程实验设计以前觉得课程实验只是对这两年来所
学知识的单纯总结，但是通过这次做课程实验发现自己的看法有点太片面。课程实验不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程实验使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程实验，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
最后感谢指导老师:(王老师和吴老师)对我的实验孜孜不倦的指导，相信此次综合实验会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个实验做的也不太好，但是在实验过程中所学到的东西是这次综合实验的最大收获和财富，使我终身受益。
八、参考文献
[1].吴晶,纪嘉明,丁红燕金属材料实验指导[M] 镇江市江苏大学出版社 2009年4月 26-50,93-100
[2].邵红红,纪嘉明金属组织控制技术与设备[M] 北京市北京大学出版社 2011年9月 7-8,13
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[4].李泉华等材料热处理工程师资格考试指导书[M] 北京市中国机械工程学会热处理学会 359-374
[5].赵步青工具用钢热处理手册[M] 北京市机械工业出版社2014 444-510
[6].李泉华、赵步青等工具用钢热处理手册北京市机械工业出版社
2014年3月152-155