深冷及回火處理對(duì)高速鋼M42組織和力學(xué)性能影響＊

陳 剛，王瓊霜，韓季初，周明哲，郭喜如

（1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南泰嘉新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410200）

M42（W2Mo9Cr4VCo9）為超硬型高速鋼系列中最有代表性的牌號(hào)，在刀具材料系列中具有不可替代的地位[1］.該鋼種常用于雙金屬帶鋸條齒部材料，而這種切削工具的主要失效形式為磨損.一方面由于此種磨損不像其他刀具具有可磨性，屬于一次性刀具.另一方面由于現(xiàn)代生產(chǎn)方式和經(jīng)濟(jì)因素的影響，切削方式基本為高速強(qiáng)力切削，對(duì)齒部材料的性能要求更高、更嚴(yán)格，因而要求其具有更高的硬度及切削性能[2］.

深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理的擴(kuò)展，常指冷卻在液氮（－196℃）中的處理[3］.它能夠提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，同時(shí)改善微觀組織的均勻性、尺寸穩(wěn)定性，最近幾年深冷處理常被許多公司用于提高一些特殊鋼產(chǎn)品的使用壽命[4］.深冷處理較普通冷處理能更好地提高材料的綜合性能，其主要原因是促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變以及隨后馬氏體分解和超微細(xì)碳化物的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[5］.深冷處理中冷卻溫度、保溫時(shí)間以及與淬、回火的組合方式都對(duì)處理效果有較大的影響[6］.文獻(xiàn)[7－9］的研究結(jié)果表明，在完成常規(guī)熱處理之后再進(jìn)行深冷處理，材料的性能只有少量的提高，將深冷處理放在淬火后回火前對(duì)材料性能影響最大.在深冷處理保溫時(shí)間研究方面，文獻(xiàn)[7，10］的結(jié)果表明，延長材料在液氮中浸入的時(shí)間會(huì)在一定程度上提高其耐磨性能，但保溫時(shí)間過長會(huì)降低材料的性能.Oppenkowski A等研究發(fā)現(xiàn)[7］D2熱鍛冷作鋼在液氮中保溫時(shí)間36h時(shí)耐磨性能最好，繼續(xù)延長保溫時(shí)間耐磨性能反而降低；在深冷處理對(duì)回火二次硬化的影響研究方面，文獻(xiàn)[3，11］研究發(fā)現(xiàn)深冷處理及淬火都對(duì)二次硬化產(chǎn)生影響，但深冷處理降低二次硬化峰值，這是由于深冷處理消除了大量的殘余奧氏體.

目前M42高速鋼深冷處理時(shí)組織轉(zhuǎn)變及工藝參數(shù)尚存在爭議.本文將M42高速鋼在不同保溫時(shí)間下進(jìn)行深冷處理，研究其在不同深冷工藝條件下的組織及硬度特征，探索深冷處理對(duì)M42高速鋼組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律，以及深冷處理對(duì)M42高速鋼回火二次硬化的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用雙金屬帶鋸條齒尖部分M42高速鋼的化學(xué)成分見表1.

表1 高速鋼M42化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of M42HHS %

在生產(chǎn)線剪取齒部試樣，對(duì)其進(jìn)行1 208℃淬火處理，再對(duì)試樣進(jìn)行深冷及回火處理，深冷工藝為：在淬火后10min內(nèi)將試樣緩慢浸入液氮中，保溫時(shí)間分別為1.5h，3h，6h，12h，24h和48h.按照不同深冷及常規(guī)熱處理工藝組合進(jìn)行試驗(yàn)，見表2.

表2 不同深冷及常規(guī)熱處理工藝組合Tab.2 Deep cryogenic treatment combined with the traditional HSS heat treatment

對(duì)3號(hào)工藝和4號(hào)工藝的樣品進(jìn)行回火處理，在100～550℃之間每間隔25℃取樣分析.

樣品采用4%的硝酸酒精腐蝕10s后進(jìn)行清洗、干燥，隨后在GX40—D數(shù)碼顯微鏡上進(jìn)行金相觀察，硬度測(cè)試采用MHV—2000型顯微硬度計(jì)，其中載荷為9.8N，加載時(shí)間為15s；采用FEI Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行深入分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 深冷處理對(duì)微觀組織的影響

2.1.1 深冷保溫時(shí)間對(duì)微觀組織的影響

對(duì)1號(hào)工藝與2號(hào)工藝中樣品進(jìn)行金相分析，分析深冷及深冷保溫時(shí)間對(duì)微觀組織的影響，結(jié)果見圖1.

由圖1可知，淬火樣的晶粒不均勻，晶粒尺寸較大，最大的晶粒直徑約為30μm，深冷處理后的晶粒最大尺寸約為20μm.深冷處理24h后晶粒尺寸普遍在5～10μm之間，晶粒尺寸更加細(xì)小.但是48h深冷處理與24h深冷處理相比晶粒度基本沒有差別，深冷處理保溫時(shí)間繼續(xù)延長對(duì)改善組織的晶粒度作用不大.這可能是由于深冷處理24h左右時(shí)低溫馬氏體相變過程才完成，但延長保溫時(shí)間對(duì)相變不繼續(xù)產(chǎn)生影響.

高速鋼淬火態(tài)一般只有MC和M6C兩種碳化物[12］，由圖1所示，碳化物的形態(tài)及分析特征可知，大部分碳化物呈塊狀析出于晶界處，部分位于晶內(nèi)；深冷處理后大量細(xì)小碳化物在晶內(nèi)均勻析出.這是由于深冷使Fe的晶格常數(shù)有縮小的趨勢(shì)，從而加強(qiáng)了碳原子析出的驅(qū)動(dòng)力.但由于低溫下的擴(kuò)散困難，擴(kuò)散距離較短，不可能形成較大的碳化物，因此此時(shí)析出的碳化物尺寸十分細(xì)小，基本呈球狀且數(shù)量較多.

因此隨著深冷時(shí)間延長，晶內(nèi)析出的彌散的細(xì)小碳化物逐漸增多，晶界處塊狀碳化物逐漸減少；當(dāng)深冷至24h時(shí)晶粒最細(xì)小，碳化物分布均勻，繼續(xù)延長保溫時(shí)間的樣品組織無明顯變化.

2.1.2 深冷工藝對(duì)微觀組織的影響

圖2為保溫時(shí)間24h時(shí)工藝1～5號(hào)樣品的SEM照片.

對(duì)比圖2（a）和圖2（b）可知，經(jīng)過深冷處理后的樣品一次碳化物明顯減少，形態(tài)由塊狀變?yōu)榍蛐?，同時(shí)在基體內(nèi)均勻分布更多細(xì)小的二次碳化物在基體內(nèi).這是由于淬火后深冷處理導(dǎo)致大量殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，低溫馬氏體轉(zhuǎn)變過程中伴隨著塑性變形，應(yīng)力誘發(fā)碳化物粒子的溶解[13］，導(dǎo)致深冷處理后尺寸較大的一次碳化物減少，形態(tài)趨向于球形碳化物.同時(shí)馬氏體相變導(dǎo)致位錯(cuò)及空位密度增加，過飽和的位錯(cuò)及空位促進(jìn)碳擴(kuò)散，位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)和間隙碳原子相互作用，碳原子趨于分散在位錯(cuò)中，這個(gè)微觀轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致細(xì)小碳化物的析出.淬火樣晶粒平均尺寸為8μm，深冷后晶粒平均尺寸為5μm，深冷處理晶粒比淬火態(tài)晶粒細(xì)小.這可能是由于深冷處理后大量殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，晶界表面積增加，晶粒度增大，使深冷處理可以細(xì)化晶粒尺寸.其次，可能由于深冷處理的冷卻過程中微觀組織收縮，碳化物的熱膨脹系數(shù)明顯低于鐵素體和奧氏體，內(nèi)部微觀應(yīng)力增加，晶粒內(nèi)產(chǎn)生一些微裂紋（如圖2（b）所示），使晶粒尺寸減小.

對(duì)比圖2（c）～圖2（e）可知，回火對(duì)深冷處理組織的影響不明顯，在晶界處仍有大塊未溶的一次碳化物在晶界處，碳化物形態(tài)和分布無明顯變化.這是由于回火后殘余奧氏體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，微觀應(yīng)力已經(jīng)釋放，此時(shí)進(jìn)行深冷處理對(duì)碳化物析出影響作用不大.深冷處理后再回火，晶內(nèi)有許多細(xì)小的碳化物析出，晶界碳化物形態(tài)由塊狀趨向于球狀.這是由于淬火后直接浸入液氮中深冷處理，在快速冷卻的過程中造成大量的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在－196℃的溫度下碳原子無法移動(dòng)，導(dǎo)致更多的碳原子被困在淬火及深冷狀態(tài)的馬氏體中，造成原子排布相當(dāng)大程度的紊亂，有利于回火時(shí)微觀應(yīng)力的釋放和微細(xì)碳化物的大量析出.另一方面由于深冷處理時(shí)發(fā)生的馬氏體相變導(dǎo)致位錯(cuò)及空位密度的增加，這些高密度的位錯(cuò)及過飽和的空位會(huì)促進(jìn)碳原子的擴(kuò)散，在隨后的回火過程中碳化物大量析出，因此深冷處理應(yīng)放在淬火和回火之間.

圖2 不同深冷工藝的SEM照片F(xiàn)ig.2 The SEM of different deep cryogenic treatment processes

圖3為經(jīng)過不同深冷工藝處理的樣品中馬氏體的SEM照片.由圖可見，回火后進(jìn)行深冷處理，馬氏體的形態(tài)基本維持原狀，仍為細(xì)針狀馬氏體，相鄰的馬氏體位向不平行，呈一定交角排列.深冷處理后再回火，馬氏體形態(tài)明顯不同于針狀馬氏體，馬氏體形態(tài)細(xì)長，且馬氏體形態(tài)和位向都不明顯.這表明，淬火后直接進(jìn)行深冷處理時(shí)，馬氏體長大的方式明顯不同于常規(guī)熱處理；回火后再進(jìn)行深冷處理對(duì)馬氏體長大方式?jīng)]有造成影響，其形態(tài)沒有明顯變化.因此，在回火前進(jìn)行深冷處理對(duì)組織形態(tài)影響最大.

圖3 不同深冷工藝馬氏體的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of the Martensite in different deep cryogenic treatment processes

2.2 深冷處理對(duì)顯微硬度的影響

2.2.1 深冷保溫時(shí)間對(duì)顯微硬度的影響

圖4給出了淬火原態(tài)及淬火后深冷處理不同時(shí)間的樣品硬度.

圖4 高速鋼M42不同深冷處理時(shí)間的硬度分布Fig.4 Hardness of M42HSS in different holding time of deep cryogenic treatment

由圖4可知，高速鋼M42未經(jīng)過深冷處理時(shí)硬度值僅為922.1HV，隨后進(jìn)行深冷處理，硬度值顯著增加，6h以后硬度增加趨于平緩，24h時(shí)達(dá)到最高值1 032.8HV，硬度值提高了12%.深冷處理后顯微硬度的提高是由于深冷處理促使晶粒細(xì)化，碳化物形態(tài)細(xì)小、分布均勻以及發(fā)生馬氏體相變并且細(xì)密化.深冷處理24h時(shí)硬度值最高，保溫時(shí)間繼續(xù)延長對(duì)組織基本沒有影響.

2.2.2 深冷工藝對(duì)顯微硬度的影響

圖5給出了深冷處理工藝對(duì)M42鋼硬度的影響.

圖5 高速鋼M42不同深冷工藝的硬度分布Fig.5 The Hardness distribution of M42HSS in different deep cryogenic treatment processes

由圖5可知，深冷處理后進(jìn)行520℃回火時(shí)的硬度值明顯低于520℃回火后再進(jìn)行深冷處理時(shí)的硬度值.深冷處理后進(jìn)行回火，隨著深冷時(shí)間的延長，硬度值降低，在24h時(shí)硬度值最低，僅為874.1 HV；然而回火處理后進(jìn)行深冷處理，隨著深冷時(shí)間延長硬度值增高，在24h時(shí)硬度值達(dá)到最高，為983.8HV.這主要是因?yàn)樯罾涮幚磉^程中快速低溫冷卻造成了微觀組織相當(dāng)大程度的紊亂，有利于隨后的回火時(shí)微應(yīng)力的釋放，所以深冷處理后再按照原回火工藝進(jìn)行處理，則造成了過回火現(xiàn)象，硬度值大幅度降低.回火后再進(jìn)行深冷處理，試樣中的殘余奧氏體已基本完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，此時(shí)進(jìn)行深冷處理不會(huì)產(chǎn)生大量的高密度位錯(cuò)的馬氏體，馬氏體主要以回火馬氏體形式存在，組織無明顯變化，從而對(duì)硬度值造成顯著影響.

2.3 深冷處理對(duì)回火二次硬化的影響

圖6給出了深冷處理工藝對(duì)回火二次硬化的影響.

圖6 高速鋼M42回火硬度分布Fig.6 The Hardness distribution of tempered M42HSS

由圖可見，在500℃回火溫度以下時(shí)，經(jīng)過深冷處理的樣品顯微硬度明顯高于未經(jīng)深冷處理的樣品，這主要是由于深冷處理造成大量的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體.經(jīng)過深冷處理的樣品和淬火樣品都會(huì)產(chǎn)生回火的二次硬化效果，但未經(jīng)過深冷處理的樣品二次硬化峰處的溫度為525℃，此處硬度值為950.8HV，而經(jīng)過深冷處理的樣品回火二次硬化峰處溫度降低至450℃，此處硬度值為998.2HV.回火二次硬化是由于淬火馬氏體分解析出細(xì)小、彌散的碳化物，常規(guī)熱處理后在二次硬化峰析出的碳化物類型是M2C和MC，然而有些研究者[13］則認(rèn)為經(jīng)過深冷處理的樣品在回火二次硬化峰處還會(huì)彌散析出非常細(xì)小的M7C3型碳化物.由此可知經(jīng)過深冷處理的樣品會(huì)析出數(shù)量愈多，愈彌散、細(xì)小的碳化物，則二次硬化能力愈強(qiáng)，二次硬化峰硬度值愈高.經(jīng)過深冷處理的二次硬化峰值溫度由525℃降低至450℃，這主要是由于經(jīng)過深冷處理后大量殘余奧氏體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，馬氏體畸變程度大，伴隨著低溫馬氏體塑性變形時(shí)位錯(cuò)的產(chǎn)生和移動(dòng)捕獲不可移動(dòng)的碳原子，促進(jìn)了隨后回火處理過程中馬氏體的分解和碳化物的析出，則經(jīng)過深冷處理后再按照原回火溫度進(jìn)行處理，會(huì)造成組織過回火，反而降低了硬度值，故經(jīng)過深冷處理后二次硬化峰處的溫度降低.

3 結(jié) 論

對(duì)高速鋼M42進(jìn)行不同保溫時(shí)間的深冷處理，再進(jìn)行不同深冷工藝處理以及回火處理，對(duì)比分析高速鋼M42的組織及硬度，得到如下結(jié)論：

1）隨著深冷保溫時(shí)間延長，晶內(nèi)析出的彌散細(xì)小碳化物逐漸增多，晶界處塊狀碳化物逐漸減少；當(dāng)深冷至24h時(shí)晶粒最細(xì)小，碳化物分布均勻，硬度值較淬火態(tài)提高了12%，深冷24h以后繼續(xù)延長保溫時(shí)間組織及硬度值無明顯變化.

2）回火前深冷處理對(duì)碳化物析出及馬氏體長大方式影響大，而回火后深冷處理對(duì)高速鋼M42的組織及硬度影響不大.

3）經(jīng)過深冷處理后進(jìn)行520℃回火硬度值明顯低于520℃回火后再進(jìn)行深冷處理.深冷處理將回火二次硬化峰值溫度由525℃降低至450℃，二次硬化硬度值為998.2HV，提高了5.0%.

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