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摘 要

高速钢具有高硬度、高耐磨性和良好的红硬性等优异性能，在刀具材料方面应用广泛。但是由于其塑性较低，冷加工难度大，拉拔易断丝。为保证拉拔的顺利进行，加工过程需经退火消除加工硬化现象。退火工艺的合理与否，对M42钢丝的塑性改善有重要影响。因此，本文以M42高速钢为试验对象，主要研究退火加热温度、加热时间对M42高速钢塑性的影响，并对产生影响的原因进行分析。通过对金相组织、扫描组织、透射组织和电子背散射衍射花样、拉伸曲线等数据进行分析，得出了以下主要研究成果：

在Ac1温度附近，随着退火温度升高，M42高速钢的塑性先增加后降低，当退火加热温度为860℃，M42高速钢的塑性最好。830℃退火塑性提升不多是由于发生了不完全的相转变。920℃塑性明显下降是由于析出的二次碳化物量变多和短杆状碳化物的析出，950℃塑性进一步下降是由于二次碳化物和晶粒长大两方面引起的。加热温度越高，溶解的碳化物量越多，析出的碳化物量越多。短杆状碳化物的析出与加热时溶入基体的合金元素含量有关。920℃晶粒没有明显长大是由于加热过程中未溶碳化物较多，抑制了晶粒长大。

在860℃延长退火时间，M42高速钢的力学性能没有发生明显的变化，其晶粒没有发生明显长大，二次碳化物的析出量略有增多，至4-8h小时析出的二次碳化物数量趋于稳定；并且二次碳化物的形态主要以颗粒状碳化物为主。

通过研究不同参数的退火工艺对M42高速钢组织和性能的影响发现：不同退火温度比不同退火时间对M42高速钢组织和性能的影响更为明显。因此，当退火保温时间在合理范围内时，M42高速钢钢丝的最佳退火温度是860℃。

关键词：M42高速钢； 退火温度； 退火时间； 碳化物； 力学性能

Abstract

High speed steel is widely used in cutting materials for its high hardness, good wear resistance and excellent red-hardness. However, it is easily broken while drawing due to its low plasticity and its cold working is difficult. The machining process need to be annealed to eliminate the hardening phenomenon in order to ensure the drawing progress going smoothly. Annealing process is reasonable or not, has a major impact on improving the plasticity of M42 high seed steel wire. Therefore, this paper mainly study on the effects on the plasticity of M42 high speed steel, and analyze the causes of impact. Important concludes are as following by OM, SEM, TEM and EBSD:

The plasticity of M42 high speed steel increases and then decreases with the annealing temperature increase near the Ac1 temperature. And M42 high speed steel has the best plasticity at the temperature of 860℃. The plasticity of M42 high speed steel increases a little due to the incomplete phase transition. And the amount of precipitation of secondary carbides increased and precipitation of stubby carbides cause the plasticity decreased at the temperature of 920℃. Besides, the secondary carbides and grain growth bring out the plasticity further declining at 950℃.Moreover, the higher the annealing temperature is, the more the carbides dissolute, the more the carbides precipitate. In addition, the plasticity of stubby carbides is related to the content of alloying elements dissolved in the matrix when relevant. The grains do not grow significantly because of little carbides dissolving during the heating progress.

The mechanical properties of high speed steel M42 is not changed significantly as the annealing time prolonged. Besides, the grains do not grow significantly, and the number of secondary carbides increases a little. But the number of secondary carbides increases is going to be stabilized at 4 to 8 hours. Moreover, these secondary carbides are mainly granular carbides.

The study on the impact of annealing progress on the microstructure and properties of the M42 high speed steel shows, that different annealing temperature has a more significant effect on the microstructure and properties of M42 high speed steel than that of time. Therefore , the optimal annealing temperature of the M42 high speed steel is 860℃.

Key Words：M42 high speed steel, annealing temperature, annealing time, carbides, mechanical property

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 高速钢及M42高速钢概述 1

1.1.1高速钢及其基本性质 1

1.1.2 高速钢的发展历史及现状 1

1.1.3 高速钢的发展趋势 2

1.2 高速钢的分类及其合金化原理 3

1.2.1 高速钢的分类 3

1.2.2 高速钢的合金化原理 3

1.3 M42高速钢的成分、组织和性能 6

1.3.1 M42高速钢的成分 6

1.3.2 M42高速钢的组织 6

1.3.3 M42高速钢的性能 7

1.4 M42高速钢的相变及热处理 8

1.4.1 M42高速钢的相变 8

1.4.1 M42高速钢的热处理 8

1.5本文的研究意义和内容 9

1.5.1 研究意义 9

1.5.2 研究内容 10

第二章 研究路线及方法 12

2.1 研究路线 12

2.2 实验材料及样品制备 13

2.3 研究方法 14

2.3.1 M42高速钢金相显微及力学性能测试试样的制备方法 14

2.3.2 M42高速钢组织及性能的表征方法 15

第三章 退火温度对M42高速钢组织和性能的影响 16

3.1退火温度对M42高速钢性能的影响规律 16

3.2退火温度对M42高速钢组织的影响规律 17

3.2.1 晶粒尺寸 18

3.2.2 金相组织 19

3.2.3 SEM显微组织 20

3.2.4 碳化物的成分和结构 22

3.3从M42高速钢的组织角度解释其性能的变化规律 25

3.4二次碳化物在退火过程中的转变 26

3.4.1二次碳化物在加热过程中的转变 26

3.4.2二次碳化物在冷却过程中的转变 28

3.5本章小结 31

第四章 退火时间对M42高速钢组织和性能的影响 33

4.1退火时间对M42高速钢性能的影响规律 33

4.2退火时间对M42高速钢组织的影响规律 34

4.2.1 晶粒尺寸 35

4.2.2 金相组织 35

4.2.3 SEM显微组织 36

4.3本章小结 38

第五章 结论 40

参考文献（Reference） 41

致谢 44

第一章 绪论

1.1 高速钢及M42高速钢概述

1.1.1高速钢及其基本性质

自高速钢（HSS）发现以来，其已经使用逾100年；高速钢也被称为峰钢，属于高碳高合金莱氏体钢^[1]。经过特殊热处理的高速钢能够具有很高的硬度、优异的耐磨性以及极优良的红硬性等性能^[2]，因此，高速钢是刀具材料中应用最广泛的，并在模具、钻、锯刀片等设备制造方面应用广泛。除碳元素以外，通常还会在高速钢中加入钨、钼、钒等碳化物形成元素以及非碳化物形成元素钴，所有对这些元素的合金化的作用都是通过它们形成碳化物的能力来衡量的。事实上，正是由于这些碳化物的存在，使得高速钢具有极高的硬度和优良的耐磨性等优点。然而，高速钢的这些有用的性质都非常依赖于碳化物的类型、大小、形状、含量和分布^[3-8]。因此，详细调查和评估，在高速形成碳化物的钢是至关重要的。

1.1.2 高速钢的发展历史及现状

高速钢从19世纪初期由英国Robert Mushet发现的自硬钢（典型成分是 C2%、W7%、Mn2.5%）以来已逾百年。通过在高速钢中加入不同的合金元素而改善钢材的使用性能的研究已比较成熟；如在高速钢中加入适量的V可以显著提高钢材的切削速度，加入适量的Co可以显著提高钢材的热硬性等^[9]；而到了20世纪中期，由于平衡碳原理的提出与应用，使得钢材的硬度进一步提高，成为硬度高达HRC70的超硬钢。由于高速钢的生产方式的改变，出现了粉末冶金法，并且开始利用电渣重熔技术生产大截面材高速钢，使得高速钢制造的冷作模具越来越多。由于粉末冶金法生产的高速钢新钢种热处理硬度更是可以高达HRC70~72^[10]；因此，综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视和发展，并在应用方面替代了部分通用钢，有效的节约了合金资源。

自高速钢最初的使用到今天的广泛应用，已逾百年，人们在其钢种的制定、合金元素的选取、生产工艺的确定、热处理工艺的研究、优良的性能及显微组织等方面的研究并且获得了可靠的结果。自硬质合金在1930年诞生以来，因为其在热硬性、硬度以及耐磨性等性能方面均超过了主要用于切削刀具制造的高速钢，并在某些切削领域，逐渐撼动了高速钢不可或缺的地位。自20世纪中后期以来，世界科学技术发展迅猛，切削技术更是突飞猛进。由于TiC基硬质合金、陶瓷以及涂层硬质合金等超硬工具材料的出现，使得高速钢在切削速度以及效率方面望其项背。但是，高速钢的韧性，工具成型性却是任何脆性的超硬性工具材料所无法比拟的，而且高速钢刀具，尤其是复杂、精密刀具的制造成本较低^[11] 。此外，随着高速钢合理的合金化、冶金生产技术的发展以及热处理技术的不断成熟，其性能不断优化。因此，尽管硬质合金在单刃刀具所占比例增加，但高速钢仍是生产多刃刀具的主要材料。

1.1.3 高速钢的发展趋势

自高速钢诞生以来，由于其具有高热硬性、高硬度以及高耐磨性等性能而被广泛关注，并得以在机床和工具制造业大量应用，因此，对高速钢的认识有很多经验和资料可循，通过不断改进高速钢的钢种、规格、数量和质量，使得高速钢的应用更为广泛。当前，高速钢主要呈现的发展趋势如下：

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