深冷處理與熱處理工藝參數(shù)對M2高速鋼桿件形變行為的影響

楊 靜，陳茂濤

(重慶紅江機械有限責(zé)任公司，重慶 402162)

W6Mo5Cr4V2鋼細(xì)長桿件是某公司生產(chǎn)的重要零件之一，在該類零件的生產(chǎn)過程中一直存在加工變形和成品尺寸不穩(wěn)定的質(zhì)量問題。尤其熱處理后零件變形嚴(yán)重，而且變形尺寸的離散性較大，變形量在-0.30～+0.70 mm之間。由于該類型產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ冃我笫謬?yán)格，不但為后續(xù)檢驗增加迂回糾偏的工作量，而且經(jīng)常面臨因加工余量不足而導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，在實際生產(chǎn)中造成重大損失。

深冷處理技術(shù)是從普通冷處理逐漸發(fā)展出來的一門新興技術(shù)，是一種對材料綜合性能均能起到良好優(yōu)化作用的處理工藝，如硬度、耐磨性、降低殘余應(yīng)力方面均有良好的效果，目前在材料行業(yè)有著極好的應(yīng)用[1-4]。深冷處理工藝不僅針對零件性能具有良好的優(yōu)化作用，而且對于上文提到的產(chǎn)品加工過程中的尺寸穩(wěn)定性的優(yōu)化具有顯著效果。顧開選、張紅等人利用深冷處理對不同鋼鐵產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性的優(yōu)化過程進行研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性顯著提高[5-9]。因此，本文將嘗試將深冷處理與熱處理相結(jié)合，探究合適的工藝參數(shù)來降低M2高速鋼的熱處理變形對產(chǎn)品的不良影響。

本文通過對W6Mo5Cr4V2鋼細(xì)長桿件產(chǎn)品取樣進行試驗，在熱處理過程中添加深冷處理后，從淬火溫度、回火溫度以及深冷工藝等參數(shù)對變形的影響開展研究，最終形成一套有效控制其熱處理變形量以及成品尺寸穩(wěn)定化的加工工藝方法。

1 試驗材料與方法

試驗材料為W6Mo5Cr4V2鋼，化學(xué)成分如表1所示，毛坯為模鍛件，之后進行一次球化退火處理，退火工藝如圖1所示。

表1 W6Mo5Cr4V2鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 W6Mo5Cr4V2鋼球化退火工藝Fig.1 Spheroidizing annealing process of W6Mo5Cr4V2 steel

為了控制試驗風(fēng)險，先對試件進行試驗，試件尺寸如圖2所示。通過對W6Mo5Cr4V2鋼長桿件的整體加工工藝進行分析認(rèn)為，熱處理變形主要受淬火溫度、回火溫度及深冷處理工藝等因素的影響。深冷處理采用國產(chǎn)主流深冷裝備，在深冷處理過程中的溫度控制[10-12]與熱處理工藝有機結(jié)合，研究深冷處理與熱處理的工藝參數(shù)，確定了三種試驗方案：

方案一：回火溫度固定為560 ℃，探究不同的淬火溫度對熱處理變形的影響，淬火溫度分別為1200、1210、1220、1230、1240 ℃，工藝曲線如圖3(a)所示；

方案二：淬火溫度固定為1210 ℃，探究不同的回火溫度對熱處理變形的影響，回火溫度分別為440、480、520、560、600 ℃，工藝曲線如圖3(b)所示；

方案三：探究深冷處理與回火工藝的次序安排對熱處理變形的影響，在淬火后先進行深冷處理，而后進行三次回火，總回火次數(shù)不變，淬火溫度和回火溫度分別設(shè)定為為1210 ℃和560 ℃，其他工藝參數(shù)不變，工藝曲線如圖3(c)所示。其中深冷處理工藝均為在-180 ℃下保溫3 h。

圖2 試件尺寸圖Fig.2 Dimensioning drawing of sample

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對試樣變形的影響

淬火溫度與試樣在長度方向尺寸變化量的關(guān)系曲線如圖4所示，可以看出試樣在長度方向的尺寸變化隨淬火溫度的提高而增加。此規(guī)律在常規(guī)淬火溫度范圍內(nèi)得到驗證，即1200～1240 ℃。一般認(rèn)為，隨著淬火溫度的升高，更多碳化物溶入晶格，奧氏體中溶入的碳及合金元素含量增加，奧氏體穩(wěn)定性增加，馬氏體轉(zhuǎn)變開始點 (MS) 降低，淬火后材料中存在更多的殘余奧氏體，而奧氏體的比容在鋼中可能出現(xiàn)的各種組織中為最小[13]，故AR的增加會導(dǎo)致其長度方向的尺寸增量有縮小趨勢。然而，實際的試驗結(jié)果卻與之相反，原因在于提高淬火溫度只是增加了淬火后材料中的殘余奧氏體含量，而淬火后的殘余奧氏體是極不穩(wěn)定的，很容易在后續(xù)過程中會發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過后續(xù)加工工藝的處理將殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變，由于殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變過程是γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵撨^程體積增加，進而導(dǎo)致長度方向上尺寸增大。所以提高淬火溫度不一定增加鋼中殘余奧氏體含量，長度尺寸增量不一定變小。此外，提高淬火溫度增加了工具鋼在奧氏體化過程中的碳含量，這導(dǎo)致淬火后馬氏體過飽和度的增加更加顯著，增加了馬氏體和奧氏體的比容差，只要在后續(xù)轉(zhuǎn)變過程中奧氏體轉(zhuǎn)變得比較徹底，將使得工件體積膨脹增大[14]，宏觀表現(xiàn)為長度方向尺寸增加，外徑也會有一定增加，這一點與試驗結(jié)果相符。

(a)方案一工藝；(b)方案二工藝；(c)方案三工藝圖3 熱處理工藝路線圖(a)project 1；(b)project 2；(c)project 3Fig.3 Process route diagram of heat treatmentnt

圖4 淬火溫度與工件長度尺寸變化的關(guān)系Fig.4 The relationship of quenching temperature and length change

2.2 回火溫度和回火次數(shù)對試樣變形的影響

先經(jīng)過一次回火，然后深冷處理，最后再進行兩次回火，其中回火溫度與試樣在經(jīng)第一次回火后長度方向尺寸變化量的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可知，在1210 ℃淬火溫度下，當(dāng)回火溫度低于520 ℃時，回火后長度方向尺寸縮短，其中520 ℃回火后尺寸縮短量達到最大值；隨著回火溫度的繼續(xù)升高，伸長量開始增加。由圖可知，在480 ℃時回火后試樣整體的變化量最小。

圖5 回火溫度與變形的關(guān)系(1210 ℃淬火+高溫回火一次)Fig.5 The relationship of tempering temperature and deformation (quenching at 1210 ℃and high temperature tempering for once)

眾所周知，高速鋼在高溫回火過程中會有明顯的“二次淬火”現(xiàn)象[15]。所謂“二次淬火”，即高速鋼在回火過程中，殘余奧氏體壓應(yīng)力松弛，且析出了部分碳化物，于是殘余奧氏體中的碳和合金元素含量降低，進而降低殘余奧氏體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變開始點 (MS) 升高。在回火冷卻過程中，這種貧化的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[16]。“二次淬火”會導(dǎo)致回火后工件長度尺寸增加，但影響效果與回火溫度有很大的關(guān)系，且在第一次回火后最為明顯，隨后越來越小。圖6中，560、600 ℃時尺寸增量較大，根據(jù)“二次淬火”效應(yīng)理論，“二次淬火”效應(yīng)發(fā)揮得越充分，零件長度增加得越大。在440、480、520 ℃回火后出現(xiàn)長度尺寸縮短，這是因為回火溫度比較低，沒有“二次淬火”效應(yīng)，而馬氏體在回火過程中發(fā)生了部分分解，析出了碳化物，導(dǎo)致尺寸縮短。由此可見，“二次淬火”效應(yīng)發(fā)揮得是否充分是影響W6Mo5Cr4V2長桿件伸長與縮短的關(guān)鍵因素?；鼗饻囟扰c回火次數(shù)的關(guān)系曲線分別如圖6所示。由圖可知，在不同回火溫度下，工件長度方向的尺寸變化與回火次數(shù)也有很大的關(guān)系?？傮w來說，回火溫度低于520 ℃時，隨著回火次數(shù)的增加，長度方向的尺寸變化量有越來越小的趨勢；溫度不低于520 ℃時，隨著回火次數(shù)的增加，長度方向的尺寸變化量反而有增大的趨勢。

2.3 深冷處理對試樣變形的影響

試樣先經(jīng)過深冷處理后在560 ℃回火3次，不同回火次數(shù)的變形量如圖7所示，共采集13組數(shù)據(jù)。由圖7可知，在深冷處理后，進行第一次回火，整體的形變量基本處于0.2～0.3 mm，隨著回火次數(shù)的增加，大部分形變量的變化位于0.02 mm以內(nèi)。相比與方案二中隨回火次數(shù)增加的變化量，先經(jīng)過深冷處理后，以第一次回火后的尺寸為基準(zhǔn)，經(jīng)第二次、第三次回火后的變化量相對較小，說明淬火后先經(jīng)過一次深冷處理可以使試樣具備較好的尺寸穩(wěn)定性。

經(jīng)深冷處理后，由于低溫環(huán)境達到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下，使淬火后組織中部分殘余奧氏體得以繼續(xù)轉(zhuǎn)變，鋼中大部分不穩(wěn)定的殘余奧氏體在此過程中轉(zhuǎn)變，因此可以從第一次回火處理后的變形結(jié)果看到，第一次回火后由于奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的體積膨脹效應(yīng)，變形量有了一定增大[17]。而由于經(jīng)過深冷處理后組織中保留下來的殘余奧氏體的穩(wěn)定性較好而且本身含量較少，因此在后續(xù)兩次的回火過程中轉(zhuǎn)變量相對較少，因此，后兩次回火后試樣的整體變化量均不大。

3 生產(chǎn)中穩(wěn)定和控制長桿件變形的措施

綜上所述，W6Mo5Cr4V2鋼試樣長度方向尺寸的熱處理變形受多重因素影響。根據(jù)上述試驗結(jié)果，并結(jié)合筆者多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，提出了實際生產(chǎn)中穩(wěn)定和控制W6Mo5Cr4V2鋼長桿件熱處理變形的主要措施：

(a)440 ℃；(b) 480 ℃；(c)520 ℃；(d) 560 ℃；(e) 600 ℃圖6 不同回火溫度下不同回火次數(shù)對應(yīng)的變形量Fig.6 Deformation corresponding to different number of tempering under different tempering temperature

1)采用淬火+深冷處理+高溫回火三次+時效的工藝方案，并根據(jù)工件的變形和使用要求，選擇并固化若干個工藝參數(shù)，同時對各工序的間隔時間做明確要求，將殘奧控制在2%以內(nèi)；

2)保證設(shè)備的爐溫均勻性滿足±5 ℃，盡量減小溫度波動對工件變形的影響；

3)鑒于W6Mo5Cr4V2鋼零件淬火后直接進行深冷處理會因應(yīng)力較大而產(chǎn)生裂紋的原因，應(yīng)盡量降低淬火溫度，同時將油淬改為氮氣淬火，深冷處理后20 min內(nèi)進行高溫回火處理。此工藝經(jīng)過驗證未發(fā)現(xiàn)裂紋的出現(xiàn)；

4)應(yīng)根據(jù)零件的尺寸和結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整工藝時間，并進行固化。

4 結(jié)論

1)淬火溫度、回火溫度、回火次數(shù)以及深冷處理工藝是影響W6Mo5Cr4V2鋼工件尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

2)在“淬火+回火+深冷處理+兩次回火”的工藝路線中，480 ℃回火具備較好的尺寸穩(wěn)定性。

圖7 在深冷處理后進行三次回火對應(yīng)變形量Fig.7 Deformation corresponding to three times tempering after cryogenic treatment

3)與淬火+高溫回火一次+深冷處理+高溫回火二次+時效的工藝方案相比，淬火+深冷處理+高溫回火三次+時效工藝方案對W6Mo5Cr4V2鋼工件尺寸穩(wěn)定化的改善效果更好。