熱處理工藝對(duì)CM2高速鋼組織性能的影響

何 星 李炎錚 雷雄輝 鄭 毅 陳 卓 韋習(xí)成

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

高速鋼的使用已有近百年的歷史。目前，我國(guó)通用型高速鋼是鎢系高速鋼W18Cr4V和鎢鉬系高速鋼W6Mo5Cr4V2等。從20世紀(jì)90年代至今，主要以W6Mo5Cr4V2鋼為主[1]?，F(xiàn)今制造業(yè)的快速發(fā)展對(duì)高速鋼的使用性能，包括硬度、紅硬性、耐磨性、強(qiáng)韌性，以及適應(yīng)不同工作條件的其他性能，如模具用鋼的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性能等，提出了越來(lái)越高的要求。熱處理是提高高速鋼綜合性能的關(guān)鍵工序[1-2]。

本文對(duì)CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速鋼進(jìn)行了不同溫度的淬火和回火處理[3-6]，檢測(cè)了經(jīng)不同工藝熱處理的CM2高速鋼的硬度、沖擊韌性、耐磨性、顯微組織和磨損形貌，確定了能使CM2鋼獲得優(yōu)良性能的熱處理工藝參數(shù)，并通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)分析了CM2鋼的磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 化學(xué)成分及熱處理工藝

試驗(yàn)用鋼為市售退火態(tài)CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速鋼，硬度約為33 HRC，其化學(xué)成見(jiàn)表1。沖擊試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和摩擦磨損試驗(yàn)用試樣尺寸分別為55 mm×10 mm×10 mm、15 mm×15 mm×10 mm和φ20 mm×3.2 mm。熱處理前，為防止試樣淬火加熱時(shí)表面發(fā)生嚴(yán)重氧化、脫碳，將試樣密封在真空石英管中。

表1 試驗(yàn)用CW6Mo5Cr4V2鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the CW6Mo5Cr4V2 steel for test (mass fraction) %

圖1所示為熱處理工藝，T1表示淬火溫度，T2表示回火溫度。為揭示淬火溫度對(duì)CM2鋼的組織和性能的影響，將淬火溫度T1設(shè)定為1 150、1 200和1 250 ℃，回火溫度T2為550 ℃；為了解回火溫度對(duì)CM2鋼的組織和性能的影響，將淬火溫度T1設(shè)定為1 200 ℃，回火溫度T2設(shè)定為490、520、550、580和610 ℃。采用高溫箱式爐進(jìn)行淬火加熱，回火設(shè)備為箱式電阻爐。

圖1 CM2鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process for the CM2 steel

1.2 晶粒度

根據(jù)GB/T 6394—2002中比較法，將試樣磨、拋和用5%苦味酸溶液腐蝕后，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖評(píng)定其晶粒度。

1.3 顯微組織和力學(xué)性能

使用MH-300硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，每個(gè)試樣測(cè)5點(diǎn)，取平均值；使用JB-S300C型數(shù)顯擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣無(wú)缺口，同一種熱處理工藝測(cè)3個(gè)試樣，取平均值。采用Nikon MA100電腦型雙目倒置金相顯微鏡觀察組織。上述試驗(yàn)均在去除試樣表面氧化層后進(jìn)行。

1.4 耐磨性

采用DX-NPO11 POD銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)為壓力50 N，轉(zhuǎn)速477 r/min，時(shí)間3 600 s，對(duì)磨材料為直徑5 mm的SiC球。每組摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)3個(gè)試樣，測(cè)量磨損前后的質(zhì)量差，以3個(gè)試樣的平均失重作為磨損量。采用CP225D萬(wàn)分之一電子天平稱(chēng)重，最大值為220 g，儀器精度為0.01 mg。用VHX-600K數(shù)碼顯微鏡觀察磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 淬火溫度對(duì)晶粒度的影響

奧氏體晶粒度可以用單位面積的晶粒數(shù)(n)表示，奧氏體晶粒度級(jí)別G與晶粒大小的關(guān)系：

n=2G-1

式中：n為放大100倍時(shí)每平方英寸(645 mm2)面積內(nèi)的平均顆粒數(shù)。對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，不特別指明時(shí)，晶粒度是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒度，主要受加熱溫度和保溫時(shí)間的影響。加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越容易長(zhǎng)大[3]。

圖2是從1 150、1 200和1 250 ℃淬火的CM2鋼的顯微組織，隨著淬火溫度的升高，晶粒明顯長(zhǎng)大。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖對(duì)比，得出淬火溫度為1 150 ℃時(shí)，鋼的晶粒度為10級(jí)；淬火溫度為1 200 ℃時(shí)，晶粒度為9.5級(jí)；淬火溫度為1 250 ℃時(shí)，晶粒度為8級(jí)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，鋼材加熱時(shí)形成的奧氏體晶粒大小，對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變及鋼的力學(xué)性能有很大的影響[7]。

2.2 淬火溫度對(duì)性能的影響

從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的顯微組織見(jiàn)圖3。1 150 ℃為低溫淬火，淬火后鋼的組織很細(xì)小，碳化物溶解少，仍是不規(guī)則塊狀或條狀。隨著淬火溫度升高到1 200 ℃，碳化物溶解量增加，元素?cái)U(kuò)散能力提高，一次條塊碳化物溶解，提高了奧氏體的合金元素含量，有利于淬火后獲得高硬度的馬氏體，并趨于球團(tuán)化，從而減弱了一次碳化物對(duì)基體的割裂作用。當(dāng)淬火溫度升高至1 250 ℃時(shí)，組織明顯粗化，碳化物相互連接[4-6]。因而，在回火工藝相同的情況下，從1 200 ℃淬火的CM2鋼硬度最高，如圖4所示，為65.4 HRC。CM2鋼經(jīng)多次回火后，彌散析出大量的碳化物，加上殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使其產(chǎn)生顯著的二次硬化效應(yīng)[8]。

圖2 從不同溫度淬火的CM2鋼試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures

圖3 從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃

圖4為CM2鋼從不同溫度淬火并550 ℃回火后由銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)獲得的平均磨損量。經(jīng)1 150 ℃淬火的CM2鋼的磨損量為1.65 mg，比1 200 ℃淬火的CM2鋼的磨損量大36.4%，比1 250 ℃淬火的CM2鋼磨損量大55.7%。圖5為從1 150、 1 200和1 250 ℃淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)。

圖4 CM2鋼淬火并于550 ℃回火后的硬度和磨損量隨淬火溫度的變化Fig.4 Hardness and wear loss of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃as a function of austenitizing temperature

圖5表明，經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)比1 150 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼的小。綜合分析圖4和圖5可以得出，回火工藝相同，1 200 ℃淬火的CM2鋼的耐磨性更好。

圖5 從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃ with duration of fractional wear test

圖6是CM2鋼淬火和550 ℃回火后的沖擊吸收能量隨淬火溫度的變化。從圖6中可以看出，CM2鋼的沖擊吸收能量隨著淬火溫度的提高先增大后減小。經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼，其沖擊吸收能量最大，為16.5 J，是1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼(8.4 J)的1.96倍，是1 250 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼(7.6 J)的2.17倍。1 200 ℃淬火的CM2鋼中有更多的碳化物溶解(與1 150 ℃淬火的相比)，晶粒沒(méi)有明顯粗化(與1 250 ℃淬火的相比)，因而具有更好的沖擊韌性。

圖6 CM2鋼淬火并于550 ℃回火后的沖擊吸收能量隨淬火溫度的變化Fig.6 Impact absorption energy of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃ as a function of austenitizing temperature

2.3 回火溫度對(duì)性能的影響

經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的硬度隨回火溫度的變化如圖7所示。圖7表明，由于馬氏體回火、碳化物析出和長(zhǎng)大以及殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，CM2鋼在550 ℃回火后的硬度最高，為65.4 HRC，比其他溫度回火的CM2鋼高1～5 HRC。圖8為經(jīng)1 200 ℃淬火和不同溫度回火的CM2鋼由銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)獲得的摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化。圖8表明，550和610 ℃回火后，CM2鋼的摩擦因數(shù)較低。結(jié)合圖7的最低磨損量和圖8的較低的摩擦因數(shù)，可見(jiàn)經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼的耐磨性能較好[9-10]。

圖9為經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼摩擦磨損試驗(yàn)后的磨損形貌。由于試樣是在室溫進(jìn)行干摩擦，沒(méi)有潤(rùn)滑劑，且承受的單位正應(yīng)力較大，所以隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行，會(huì)在摩擦面產(chǎn)生大量的熱，使試樣與對(duì)磨球的摩擦面焊合，持續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又使之撕裂，導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移，即發(fā)生粘著磨損。

圖7 經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的硬度和磨損量隨回火溫度的變化Fig.7 Hardness and wear loss of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ as a function of tempering temperature

圖8 經(jīng)1 200 ℃淬火和不同溫度回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.8 Variation of friction coefficient of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ and tempered at different temperatures with duration of frictional wear test

除粘著磨損外，CM2鋼與SiC球摩擦磨損時(shí)，還伴隨有磨粒磨損和氧化磨損。CM2鋼與SiC球摩擦接觸后，表面材料的耗損過(guò)程也是磨屑從表面產(chǎn)生和脫落的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中形成的是比較疏松的氧化物磨屑(黑色FeO、紅棕色Fe2O3)。隨著氧化物磨屑增多，會(huì)導(dǎo)致金屬表面形成點(diǎn)蝕坑。當(dāng)磨粒的形狀與位向不利于切削時(shí)，磨粒將使材料產(chǎn)生犁溝變形[11]。后來(lái)的磨粒可能會(huì)將堆積起來(lái)的材料壓平，也可能使犁溝變形的材料再一次遭受犁溝變形，如此反復(fù)，將導(dǎo)致材料開(kāi)裂、斷裂。

圖9 經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃回火的CM2鋼摩擦磨損試驗(yàn)后的形貌Fig.9 Pattern of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ and tempered at 550 ℃ after frictional wear test

經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的沖擊韌性隨回火溫度的變化見(jiàn)圖10。圖10表明，1 200 ℃淬火、520 ℃回火的CM2鋼的沖擊吸收能量達(dá)到了最大值。在550 ℃3次回火的CM2鋼的沖擊吸收能量為16.5 J，雖略低于490 ℃回火的，但比580 ℃回火的高1.3%，比610 ℃回火的高19.1%。上述結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃回火3次的CM2鋼的綜合性能最佳。

圖10 經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的沖擊吸收能量隨回火溫度的變化Fig.10 Impact absorption energy of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ as a function of tempering temperature

3 結(jié)論

(1)當(dāng)淬火溫度為1 250 ℃時(shí)，CM2鋼的晶粒明顯長(zhǎng)大；550 ℃3次回火后，碳化物相互連接，對(duì)CM2鋼的沖擊韌性有不良影響。

(2)經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火后，CM2鋼的二次硬化效應(yīng)明顯，其硬度達(dá)65.4 HRC，耐磨性能好，沖擊韌性適中，綜合性能優(yōu)異。