D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.04.034 第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 真空条件下高速钢中脱碳层的变化 曹 杰》项长祥》陈冬)李联生) 秦茶2 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)河北省冶金研究院，石家庄050031 摘要在真空条件下对3种有初脱碳层的高速钢进行了退火实验，考察了在无氧的条件下高 速钢中碳的扩散，指出了高速钢的脱碳与高速钢中碳化物的分解和游离碳扩散有关， 关键词高速钢；碳；扩散 分类号TG142.45 高速钢脱碳是钢中的碳与氧气或氧化性气材，W9为直径10mm圆材.化学成分见表1.经 氛互相作用的结果，因此有氧存在或有氧化性 车削去除原始表面的氧化和脱碳层，将M2, 气氛存在的情况下，高速钢易形成脱碳层，而在 M2Al切成中10mm×20mm的试样，W9切成中7 无氧条件下，高速钢的脱碳层形成情况未见文 mm×20mm的试样，然后用工业酒精清洗表面， 献报道.本文在真空条件下对有初脱碳层的3 在室温下阴干， 种高速钢进行退火实验，研究了高速钢中碳的 1.2实验方法 扩散情况 本实验是研究有初脱碳层时碳的扩散，所 以首先对试样进行预处理.将在1100℃下保温 1试样制备及实验方法 40min形成0.40.5mm初脱碳层的3种高速钢 11试样制备 试样作为原始样，然后在13Pa的真空条件下将 试样材料取自W9,M2,M2Al3种高速钢退 试样密封在石英管中.根据高速钢生产中退火 火态的商品材，其中M2,M2Al为直径12mm圆 工艺并结合实验室实验制度，制定了如图1所 表1W9,M2,M2A13种高速钢的化学元素含量（质量分数） Table 1 The composition of three kind of high speed steels,W9,M2,M2Al % 钢种 C Si Mn Cr Mo V 红 Al W9 0.78 0.36 0.340.0230.011 3.943.141.41 9.00 M2 0.82 0.30 0.32 0.028 0.010 3.94 5.50 2.02 5.78 M2Al 1.13 0.35 0.34 0.025 0.005 4.06 5.06 2.03 5.68 0.96 1000 (a) 1000 (b) 800 800 600 C 600 400 400 200h 200 0 0 500 1000 15002000 0 5001000 15002000 t/min t/min 图1W9,2(a)和M2A1(b)升降温曲线（保温时间为10h) Fig.1 The curves of temperature change of W9,M2 (a)and M2Al(b)(temperature holding time,10 h) 1999-01-12收稿曹杰男，25岁，顾士
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 真空条件下 高速钢 中脱碳层 的变化 曹 杰 ” 项 长祥 ‘， 陈 冬 ， 李联生 ‘， 秦 茶 ” 北京科技大学冶金学院 ， 北京 河北省冶金研究院 ， 石家庄 摘 要 在 真 空 条件 下 对 种 有初 脱 碳 层 的高速钢 进行 了退 火 实验 ， 考察 了在 无氧 的条件 下 高 速钢 中碳 的扩 散 ， 指 出 了高速 钢 的脱碳 与 高速钢 中碳 化 物的分解 和游 离碳扩 散有关 关键词 高速 钢 碳 扩 散 分 类号 高速钢 脱 碳 是 钢 中的碳 与 氧 气或 氧化 性气 氛互 相 作用 的结果 ， 因 此有氧存在 或 有氧化性 气氛存在 的情 况 下 ， 高速钢 易形 成脱碳层 而 在 无 氧条件下 ， 高速 钢 的脱碳 层 形 成情 况 未见文 献 报 道 本 文 在 真 空 条件 下 对 有 初 脱碳 层 的 种高速 钢 进行 退 火实验 ， 研 究 了高速 钢 中碳 的 扩 散情 况 试样制备及实验方法 试样制备 试样 材料 取 自 ， ， 种 高速钢 退 火 态 的商 品材 ， 其 中 ， 为直 径 圆 材 ， 为直 径 圆材 ， 化 学 成 分 见 表 经 车 削 去 除 原 始 表 面 的氧 化 和 脱 碳 层 ， 将 ， 切 成拟 的试样 ， 切 成中 的试样 ， 然 后用 工 业 酒 精清洗表 面 ， 在 室温 下 阴干 实验方法 本 实验 是研 究有初 脱 碳 层 时碳 的扩 散 ， 所 以首先 对试样进行 预 处 理 将 在 ℃ 下 保 温 形 成 初 脱 碳 层 的 种 高速钢 试样作为原始样 ， 然 后在 的真空 条件下 将 试 样密 封在 石 英 管 中 根 据 高速钢 生 产 中退 火 工 艺 并 结合 实验 室 实验 制度 ， 制 定 了如 图 所 表 ， ， 种高速钢 的化学元素含量 质量分数 拓 ， ， ， 内 ︸ ‘ ︺、，︼尸﹃ 曰八“、︸ 产 钢种 一 ︷︸ 八曰 入‘︶ 八“﹃ 日︵ 盗 ，乙 八曰 ﹃ 气乙 八“ ︸ 图 ， 和 升降温 曲线 保温时间为 ， ， 一 一 收稿 曹杰 男 ， 岁 ，硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．04．034
·300· 北京科技大学学报 2000年第4期 示的热处理制度，W9,M2,M2AI在高温下保温 长而不断增加.产生这种现象的原因主要是试 时间分别为6,10和14h. 样在处理前有1个脱碳层，使得试样边缘与中 每种样品取2个试样热处理后，空冷，然后 心存在1个碳的浓度差（即碳的质量分数差，下 进行失重计算和脱碳层深度测定，并测定其碳 同)，在一定的温度和保温时间下，碳要经过扩 含量的分布. 散来消除或减小这种碳浓度差. 13氧化和脱碳的测定 用精度为1/10的电子天平称量试样热处理 0.9 0.8 前的质量，热处理后，手工去除试样表面氧化 层，并用自配的除锈液清除试样表面，既保证清 0.7 理干净，又不损害钢的基体，然后再称量试样质 0.6 ■原始样 4保温6h 量.2次质量之差（△m)为样品的氧化失重.为了 0.5 ·保温10h 直接考察温度和时间对钢基体的影响，按公式 0.4 ·保温14h △r≈△mS将氧化失重转换成单位面积氧化损 0.3 失量△r,式中S为试样热处理前的表面积. 0.2 测定氧化层厚度后，将试样的1个端面抛 0.20.40.60.81.01.21.41.6 光，经硝酸酒精浸蚀后，在金相显微镜下测量试 距离边缘径向深度/mm 图2W9的碳质量分数(w:)与径向深度关系 样径向脱碳深度.每个试样测4点，取平均值. Fig.2 The relation between the radial depth and mass 最后，取同一温度同一时间处理的2个试 fraction of w9 样的氧化失重值和脱碳深度值的平均值作为实 验结果 0.9 0.8 1.4碳含量分布测定 0.7 用车床（可精确到0.01mm)沿试样径向每 0.6 隔0.2mm(考虑试样的大小对切削后的碎屑够 ·原始样 0.5 化学分析用)车1刀，将车下的碎屑进行化学分 ·保湿6h T保温10h 析，得到0.2mm内碳的平均含量，可将其视为 ·保温14h 0.3 0.2mm内碳的中心含量，如00.2mm的测定值 0.2 可看作0.1mm处的实验值.原始样测2个值，热 处理后的试样测3个值. 0.20.40.60.81.01.21.41.6 距离边缘径向深度/mm 2实验结果 图3M2的碳质量分数(w)与径向深度关系 Fig.3 The relation between the radial depth and mass 实验测定的氧化失重大约为150gm',与文 fraction of M2 献[1)指出的在空气中热处理结果相比，可以忽 1.2 略不计，实验测定的脱碳层值和化学分析测定 的碳含量分布值见图2~4. 1.0 从实验结果可以看出，在近似真空的条件 0.8 下加热高速钢几乎不氧化，这是国外一些厂家 ·原始样 ·保温6h 用保护性气氛生产高速钢的原因所在，产生少 0.6 。保温10h ·保温14h 量氧化的原因可能是在封样的时候，石英管内 0.4 残存少量的氧.与空气介质中加热的氧化失重 相比，这种氧化小到可以忽略 0.2 0.20.40.60.81.01.21.41.6 当试样具有初脱碳层时，在近似真空的条 距离边缘径向深度mm 件下，碳经过扩散形成了更深的脱碳层.可见在 图4M2A1的碳质量分数(wc)与径向深度关系 没有氧的情况下，只要有初脱碳层就会产生更 Fig.4 The relation between the radial depth and mass 深脱碳层且试样边缘的碳含量随保温时间的延 fraction of M2Al
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 岁 ︺、︸ 琴。 示 的热 处 理 制度 ， ， ， 在 高温 下 保 温 时 间 分 别 为 ， 和 每种样 品取 个试样 热 处 理 后 ， 空 冷 ， 然 后 进 行 失 重 计 算 和 脱碳 层 深 度 测 定 ， 并 测 定 其 碳 含 量 的分 布 氧化和 脱碳 的测 定 用 精度 为 的 电子 天平 称量 试样热 处 理 前 的质量 热 处 理 后 ， 手 工 去 除试 样 表 面氧 化 层 ， 并用 自配 的除锈 液清 除试 样表 面 ， 既保 证 清 理 干 净 ， 又 不 损害钢 的基 体 ， 然 后 再 称 量试样质 量 次质量 之 差 △ 为样 品 的氧化 失重 为 了 直 接考 察温度和 时 间对 钢 基 体 的影 响 ， 按 公 式 △ 二 △ 将 氧 化 失 重 转 换 成 单 位 面 积 氧 化损 失量 △ ， 式 中 为试 样热 处 理 前 的表面积 测 定 氧化 层 厚 度 后 ， 将 试 样 的 个 端面 抛 光 ， 经 硝酸 酒 精浸蚀后 ， 在 金相显 微镜 下 测 量试 样 径 向脱 碳 深 度 每 个 试样 测 点 ， 取 平 均 值 最 后 ， 取 同一 温 度 同一 时 间 处 理 的 个 试 样 的氧 化 失重 值 和 脱碳深 度值 的平 均值作为实 验 结 果 碳含量分布测定 用 车 床 可 精确 到 口 沿 试 样 径 向每 隔 考 虑 试 样 的大 小对 切 削 后 的碎 屑 够 化 学分析用 车 刀 ， 将 车 下 的碎屑进 行化 学 分 析 ， 得 到 内碳 的平 均含 量 ， 可 将 其 视 为 内碳 的 中心 含量 ， 如 一 的测 定 值 可 看 作 处 的 实验 值 原始样 测 个 值 ， 热 处 理 后 的试 样 测 个 值 长 而 不 断增 加 产 生 这种 现 象 的原 因 主 要 是 试 样 在 处 理 前 有 个脱 碳 层 ， 使得试 样 边缘 与 中 心 存 在 个碳 的浓 度差 即碳 的质量 分 数 差 ， 下 同 ， 在 一 定 的温度和 保温 时 间下 ， 碳要 经 过扩 散 来 消 除或 减 小这 种碳 浓 度 差 … 二二耳公多只 才落， 途踢 了 ’ 保温 一 距 离边 缘径 向深 度 图 的碳质量分数 、 与径 向深度关系 原始样 ‘ 保温 ， 保温 保温 岁、琴︺ 住 ‘ 岁、忿二 实验结果 实验 测 定 的氧化 失重 大 约 为 留 ，， 与文 献 【 指 出 的在 空 气 中热处 理 结果 相 比 ， 可 以忽 略 不 计 实验 测 定 的脱碳 层 值 和 化 学 分 析 测 定 的碳 含 量 分 布 值见 图 一 从 实验 结 果 可 以看 出 ， 在 近 似 真 空 的条 件 下 加 热 高速 钢 几 乎不 氧化 ， 这 是 国外 一 些 厂 家 用 保 护 性 气 氛 生 产 高速 钢 的 原 因所 在 产 生 少 量 氧 化 的原 因 可 能 是 在 封 样 的 时候 ， 石 英 管 内 残 存少量 的氧 与 空 气 介 质 中加 热 的氧化 失重 相 比 ， 这 种 氧 化 小 到 可 以忽 略 当试样 具 有初 脱碳 层 时 ， 在近 似 真空 的条 件 下 ， 碳 经 过 扩 散形 成 了更 深 的脱碳 层 可 见 在 没 有氧 的情况 下 ， 只 要 有 初 脱 碳 层 就 会产 生 更 深 脱碳层 且 试样边缘 的碳含量 随保温 时 间 的延 距 离边缘 径 向深度 图 的碳质量分数 与径 向深度关系 认 原始样 保温 ， 保温 保温 ， … ， ， ， 距 离边 缘 径 向深 度 图 的碳质量分数 与径 向深度关系 ·
VoL22 No.4 曹杰等：直空条件下高速到中脱碳的变化 4301 3 高速钢中碳的扩散 散的结果是使与脱碳层相接的基体中碳化物及 其周围的游离碳之间的平衡被破坏，碳化物发 从图2~图4可以看出，在近似真空条件下 生分解.分解产生的游离碳向边缘扩散，而合金 也即在无氧条件下，存在初脱碳层的试样在热 元素溶解在基体中，从而使边缘的碳含量与中 处理过程中会形成较大的脱碳层，形成的原因 心的碳含量之间的含量差缩小，形成了比初脱 主要是存在碳的扩散 碳层大得多的脱碳层， 从动力学角度而言，有初脱碳层的试样就 图5是M2A1的6000倍电镜照片，从照片 与基体之间存在着一定的碳浓度差，为碳的扩 可以看出，中心的碳化物数量明显多于边缘的 散提供了动力，由于不存在氧化性气氛，故可把 碳化物数量且边缘的小颗粒碳化物数量明显减 碳的扩散过程分为如下2个步骤： 少，这也证明了碳化物在高速钢热处理过程中 (1)游离碳由高含量处向低含量处打扩散. 要分解且小颗粒的碳化物首先分解.图中的淬 (2)高含量处由于碳的扩散，使得碳化物和 火态试样指的是预处理的试样，退火态指的是 基体中的碳之间的平衡被打破，碳化物进行分 真空封的试样，从图中可以看出退火态试样中 解，产生更多的游离态的碳。 心比淬火态试样中心的碳化物数量要多，且小 高速钢中存在不同组成的碳化物，这些成 颗粒的碳化物增加.这是因为在退火温度下，试 分不同的碳化物，稳定性也不同，碳化物的分解 样中心有更多碳化物析出：试样边缘的碳化物 情况也不同.但可以认为高速钢中的碳化物和 情况也不同，退火态的碳化物比淬火态的碳化 游离碳之间存在一个平衡，正是由于存在这个 物要大得多，其原因是在退火温度下长时间保 平衡，才使得碳化物分解.当存在碳浓度差时， 温的结果，所以退火时，如果存在初脱碳层，不 在高温条件下游离碳就要向试样边缘扩散，扩 仅可形成更深的脱碳层，而且会使脱碳层中的 (b) 图5M21中碳化物的分布图 ()遇火态中心碳化物的分布：)退火态边缘碳化物的分布：心)淬火态中心碳化物的分布：淬火态边缘碳化物的分布 Fig.5 The distribution of carbides in MZAl
302◆ 北京科技大学学报 2000年第4期 碳化物长大，这说明在碳含量不足的情况下，不4结论 是形成更多的碳化物，而是碳化物聚集长大. 从上述现象可以得知，碳扩散过程中存在 (1)在真空条件下，存在初脱碳层的高速钢 碳化物分解和游离碳扩散2个步骤.在这个过 在退火中会形成更深的脱碳层， 程中，对于碳化物分解而言，形成的碳化物越稳 (2)高速钢中的碳的扩散与碳化物分解和游 定，碳化物越不易分解，碳的扩散就受到抑制， 离态碳扩散有关， 反之，碳化物易分解，就会促进碳的扩散：对于 (3)在碳含量不足情况下，碳化物会聚集长 游离碳扩散而言，与碳易于形成碳化物的元素 大 就会阻碍碳的扩散，反之，不与碳形成碳化物或 参考文献 不易与碳形成碳化物的元素则促进碳的扩散， 1曹杰，项长祥，陈冬，等.M2和M2A1高速钢的氧化和 碳化物按其化学稳定性增加的顺序排列为： 脱碳.特殊钢，1999,8(20)：19 CraCs-Mo2C-W2C-WC-VC-TiC-TaC 2克里雅奇科OA,黄舞华等译.钢中气体、非金属 (NbC)一ZC.高速钢中铬的碳化物最不稳定， 夹杂物及碳化物的分析（下）.北京：冶金工业出版社， 1960 因此铬含量较高的高速钢脱碳倾向较大，而含 3喻世禄.高速钢和高速钢锻造，北京：国防工业出版 V较多的高速钢脱碳倾向较小.Al在高速钢中 社，1989 与碳不形成碳化物，存在较大的脱碳倾向. Change of Decarbonized Depth for High Speed Steel in Vacuum CAO Jie", XIANG Changxiang",CHEN Dong.LI Liansheng, QIN Cha 1)Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Metallurgical Research Institute,Shijiazhuang 050031 ABSTRACT In vacuum,several high speed steels which have decarbonization layer were annealed and the diffusion of carbon in high speed steel were reviewed in free-oxygen condition.The decarbonization of high speed steel relate to the decompound of carbonization and the diffusion of free carbon in the high speed steel. KEY WORDS high speed steel;carbon;diffusion
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 碳 化物长 大 ， 这说 明在碳含量 不 足 的情 况 下 ， 不 是 形 成 更 多 的碳 化 物 ， 而 是 碳 化 物 聚 集长 大 从 上述现象可 以得知 ， 碳扩 散过程 中存在 碳 化物 分 解 和 游 离碳 扩 散 个 步 骤 在 这 个过 程 中 ， 对 于 碳化物 分解而 言 ， 形 成 的碳化物越稳 定 ， 碳化 物越 不 易分解 ， 碳 的扩 散就 受到抑制 ， 反 之 ， 碳 化物 易 分解 ， 就 会促 进碳 的扩 散 对 于 游 离碳 扩 散而 言 ， 与碳 易 于 形 成 碳 化 物 的元 素 就 会 阻碍 碳 的扩 散 ， 反之 ， 不 与碳 形 成 碳 化物 或 不 易 与 碳 形 成 碳 化物 的元 素 则 促 进碳 的扩 散 碳 化 物 按 其 化 学 稳 定 性 增 加 的 顺 序 排 列 为 几 一 一 一 一 一 一 ’ 一 高速 钢 中铬 的碳化物 最 不 稳定 ， 因此铬 含量 较 高的 高速 钢 脱 碳倾 向较 大 ， 而 含 较 多的高速钢 脱 碳 倾 向较 小 「， 在 高速 钢 中 与碳不 形 成 碳 化 物 ， 存在 较 大 的脱碳 倾 向 ， 结论 在 真 空 条件下 ， 存在 初 脱 碳 层 的 高速钢 在 退 火 中会形 成更 深 的脱 碳 层 高速钢 中的碳 的扩 散与碳化物分解 和 游 离态 碳扩散有关 在 碳含 量 不 足情 况 下 ， 碳 化 物会 聚 集 长 大 参 考 文 献 曹杰 ， 项 长 祥 ， 陈冬 ， 等 和 高速钢 的氧 化和 脱碳 特殊钢 ， ， 克里 雅 奇科 黄舞华 等译 钢 中气 体 、 非金属 夹杂物及碳化物 的分析 下 北京 冶 金工 业 出版社 ， 喻 世 禄 高速钢 和 高速钢 锻造 北 京 国 防工 业 出版 社 ， 们 咬 ， 砚咬刃 月 丫 ， 万 心气 ， 口脚 沪 回 ， ， ， 巧 ， 吕乙 ， 一。 称 伪 伪
