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高速钢中碳化物的化学染色显示
周柏森
(南京理工大学材料科学与工程系，南京210094)
摘
要：该文采用彩色金相化学染色技术显示淬火态、回火态与退火态的W18Cr4V高速钢中的碳化物，硒酸试剂使不同类型及其不同合金含量的碳化物以不同的色彩呈现。电子探针测试结果表明，常规金相以碳化物的形貌与大小作为碳化物类型的辨别依据是不够准确的。高速钢中的成分偏析将使碳化物出现偏析性的分布，彩色金相是研究这类偏析的有效工具。
关键词： 彩色金相，高速钢，碳化物
高速工具钢中碳化物的成分、类型、数量、形状、大小及分布对其使用性能具有重要影响。常规的金相显示方法使各种碳化物都呈现白色或黑色，观察者只能按碳化物的大小与形状来分类，并作为高速钢质量的判据。显然，这是相当粗略的。本试验应用化学染色技术，并结合电子探针分析，以不同的干涉色显示高速钢中的合金碳化物。试验用钢及热处理工艺，见表1。
1 试验过程
试样经常规的磨制与抛光，为使着色后相晶界清楚，用2%硝酸酒精溶液预腐蚀。本试验的染色试剂是硒酸(H2SeO4)试剂，100ml乙醇(无水)+2ml硒酸+10ml盐酸。硒酸是一种比硫酸更强的氧化性酸，有盐酸存在时，它在钢铁试样的阴极区发生如下反应[1]:(1)SeO2-4+4H++2e-――H2O+H2SeO3(亚硒酸)；(2)SeO3-2+4H++4e--H2O+Se↓。这样硒膜在阴碳化物表面生成，硒膜的沉积速度取决于各种碳化物的电化学性质，从而使不同的碳化物以不同的干涉色呈现。为了提高显示的灵敏度，应努力使每个试样的碳化物具有最多的色彩分布。用CAMEBAX电子探针仪对每种试样的不同色彩的碳化物进行成分测定。
2 试验结果
图1～图4是试样染色显示结果的金相照片及说明。图1、图2分别对应试样1#与试样2#，而图3、图4是试样3#的不同部位的照片。表2、表3、表4分别是试样1#、试样2#、试样3#上不同色彩的碳化物的电子探针测试结果。
图1 W18Cr4V，淬火态，硒酸试剂染色浸
图2 W18Cr4V，淬火+回火态，硒酸试剂
蚀100s的金相照片，×420
染色浸蚀20s的金相照片，×420
图3 W18Cr4V，淬火+860℃分级退火，硒
图4 与图3同一试样的不同部位照片，×420
酸试剂染色浸蚀120s的金相照片，×420
3#试样含碳量半定量测定结果为标准碳试样(金刚石)306次/s脉冲；浅蓝色碳化物为14次/s脉冲，相当于4.7%C；蓝色碳化物为17～20次/s脉冲，相当于6%C；深红色碳化物为26次/s脉冲，相当于8.6%C。
3 分析与讨论
1#试样中的蓝色碳化物①是M6C型，而红褐色碳化物②也是M6C型碳化物，但其含铁量太高，其生成机理尚待研究。2#试样是淬火+回火状态，其中蓝色碳化物①显然属于MC型，通常认为MC型碳化物是VC，它以细小的颗粒存在，在这里它也以较大的颗粒存在。红色的碳化物②是一种复合碳化物，即MC和M6C碳化物附生在一起。白色的碳化物③属M6C型，它是回火时析出的，大多呈圆形。3#试样处于退火状态，共显示淡蓝色①、蓝色②、③、蓝紫色④、深红色⑤及红色的碳化物⑥。它们实质都是以M6C型为主的混合碳化物。根据研究，高速钢退火后含有M6C、M23C6、MC及M7C3型碳化物。本试验中不能完全鉴别所有总第90期周柏森 高速钢中碳化物的化学染色显示507类型的碳化物，这主要是在光学显微镜退火析出的一些细小的碳化物的色彩难以分辨，同时退火中析出的碳化物大量附生于其它碳化物上，形成混合碳化物。从表中可见，淡蓝色、蓝色与紫红色碳化物的基本成分相近，只是含钒量有差异，显然这是在MC型碳化物上附生的结果。
本试验的干涉色都处于零级色带，干涉色的变化次序是淡蓝色、蓝色、紫红色、红色、黄色，因此高速钢中的碳化物，在硒酸试剂中的染色次序是MC、M6C。同类型的碳化物中含钒量较高的碳化物着色最早。
本试验表明，W18Cr4V型高速钢中存在着显著的成分不均匀分布。例如，图2中的白色的碳化物偏聚，尤其3#试样中，存在一些红色的碳化物的区域，而红色的碳化物含铁量较高，含金元素较少。显然碳化物的如此分析将严重影响高速钢的使用性能，而常规金相方法是难以发现这些的。以前较多强调高速钢的锻压变形方法，以求尽可能击碎大颗粒碳化物。这样在金相显微镜中就观察到颗粒均匀的碳化物分布，这是显示方法本身所决定的，它难以判别碳化物的类型及成分。因此，采用彩色金相方法作为高速钢中碳化物的显示技术，具有更全面的显示效果，从而高速钢的质量控制建立在更合理的基础上，并推动高速钢熔炼与铸锭技术的改进。
由上分析，得到如下3点结论:
(1)
硒酸试剂显示W、V系列高速钢是有效的，它使不同类型，不同合金含量的碳化物以不同色彩呈现。
(2)
所研究的碳化物在硒酸试制中的染色次序为MC、M6C，同类型碳化物中含钒量高者先着色。
(3)
常规金相中单纯以碳化物形状及大小判别各种碳化物的分布是不完全确切的。彩色金相提供了碳化物分布的完整图像，它是研究高速钢碳化物的有力工具。
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