深冷處理對M2Al高速鋼高溫耐磨性的影響

陳 峙， 孟 宇， 蘭東生， 閆獻(xiàn)國

(太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

高速鋼有著良好的硬度、韌性、耐熱性和耐磨性等性能[1-2]，M2Al高速鋼是一種含Al高速鋼，在高速鋼中加入Al元素形成超硬型高速鋼，可以使碳化物更容易析出，并且數(shù)量增多，因此高速鋼的硬度、耐磨性都能大大提高。高速鋼在高溫下很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，加入Al可以降低這種情況的發(fā)生[3]，并且使高速鋼韌性增強，切屑不黏刀。

深冷處理可以促進(jìn)殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦?xì)小的馬氏體[4]，使碳化物析出且均勻分布，提高高速鋼的韌性、硬度、強度、耐腐蝕性和耐磨性，并降低晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷密度[5]。本文探究了不同深冷處理溫度對M2Al高速鋼高溫耐磨性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 深冷試驗方法

深冷處理一般安排在淬火后回火前，本文淬火溫度選擇1200 ℃，深冷溫度為-80、-120及-160 ℃，深冷次數(shù)3次，每次深冷保溫6 h，降溫速率為1 ℃/min，回火溫度為550 ℃，3次回火，具體熱處理工藝如圖1所示。

圖1 熱處理工藝流程圖

熱處理前先將M2Al高速鋼制成φ16 mm×5 mm的圓柱狀試樣，分成4組，每組2個。M2Al高速鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 M2Al高速鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 高溫摩擦磨損試驗

通過對高溫摩擦磨損時摩擦因數(shù)以及磨損量進(jìn)行分析，研究不同的深冷處理工藝對M2Al高速鋼磨損性能及耐磨性的影響。對深冷后的試樣進(jìn)行拋光、清洗，所使用的高溫摩擦磨損試驗設(shè)備為HT-1000高溫摩擦磨損儀，通過運行界面可以很直觀地實時觀察摩擦因數(shù)與摩擦力的變化情況，摩擦因數(shù)為兩摩擦面間的摩擦力與法向載荷的比值。表2為高速鋼試樣的高溫摩擦磨損試驗參數(shù)。磨損量是高速鋼經(jīng)過高溫摩擦磨損后材料的減少量，磨損量可以通過測量試驗前后質(zhì)量變化來獲得，試驗所用儀器為精密電子天平BSM-220.4。

表2 高溫摩擦磨損試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀分析

對于高速鋼深冷處理的轉(zhuǎn)變機理，有研究者認(rèn)為[6]，在深冷處理過程中粗大的板條狀馬氏體發(fā)生分解碎化并析出超細(xì)碳化物，使組織細(xì)化，材料強韌性提高。也有研究者認(rèn)為[7]深冷處理改變了殘留奧氏體的結(jié)構(gòu)、形狀和分布，從而提高了材料的強韌性。普遍認(rèn)為[8]主要是通過改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高了綜合性能，發(fā)揮出材料的內(nèi)在潛能。工件在深冷處理低溫環(huán)境下微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而提高材料在宏觀上的耐磨性、沖擊性能、尺寸穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。深冷處理提高高速鋼耐磨性主要有兩方面原因[9]：一方面是在低溫下促使高速鋼中的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，改善和消除了鋼中殘余應(yīng)力的分布，這是因為在深冷處理過程中，高速鋼中殘留奧氏體會發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；另一方面是在低溫下體積收縮，鐵的晶格常數(shù)會縮小，加強了碳原子析出的驅(qū)動力，低溫下碳原子擴散困難，在馬氏體基體上析出大量彌散超細(xì)碳化物。M2Al高速鋼由于添加了Al使碳化物析出數(shù)量增加，材料抗回火性和紅硬性得到提高。

M2Al高速鋼試樣在深冷處理過程中，由于體積收縮，試件表面產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，冷卻保溫過程中導(dǎo)致材料出現(xiàn)微孔缺陷，內(nèi)應(yīng)力集中部分產(chǎn)生塑性變形，碳化物的析出會填補這些缺陷，圖2為4組工藝處理后試樣的顯微組織，4組工藝試樣中都存在碳化物，大塊碳化物主要在晶界處析出，并產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，小塊碳化物在晶界內(nèi)形成，碳化物的尺寸和分布隨著深冷溫度的降低逐漸變得均勻。碳化物在基體表面均勻分布，會提高材料的耐磨性。

圖2 不同深冷處理溫度下M2Al高速鋼試樣的SEM照片

圖2中呈白色物質(zhì)均為碳化物，碳化物按照其大小可分為一次碳化物、大二次碳化物、小二次碳化物[10]，一次碳化物尺寸>5 μm，大二次碳化物尺寸介于2～5 μm之間，小二次碳化物介于0.1～1 μm之間。由圖2可知，碳化物析出現(xiàn)象存在于不同工藝處理后的試樣表面，并且較大尺寸的碳化物分布在晶界處，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，較小尺寸的碳化物彌散于基體上，形狀接近于圓形。對于二次碳化物來說，在深冷處理過程中，淬火馬氏體處于熱力學(xué)中的不穩(wěn)定狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)分解驅(qū)動力較大，當(dāng)深冷溫度處于-100 ℃ 以下時，碳原子難以遷移擴散，因此細(xì)小碳化物顆粒彌散分布于馬氏體基體上。將試樣微觀SEM照片導(dǎo)入Image J軟件進(jìn)行分析處理，得到碳化物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 不同深冷處理溫度下M2Al高速鋼試樣中的碳化物統(tǒng)計

從碳化物尺寸大小及分布情況分析，圖2(a)中的一次碳化物數(shù)量比其他工藝下的要多，沿晶界分布，并且碳化物平均尺寸最大。隨著深冷溫度的降低，小二次碳化物的數(shù)量增加，平均尺寸減小，彌散分布于材料表面。其中-160 ℃深冷處理的試樣中碳化物總數(shù)最多，平均尺寸最小，而且碳化物分布比較均勻，小二次碳化物占總數(shù)的92%，因此該工藝處理后的試樣宏觀高溫耐磨性能最好。

2.2 高溫摩擦因數(shù)分析

通常情況下摩擦因數(shù)越低，材料越耐磨，不同深冷工藝下M2Al高速鋼試樣的摩擦因數(shù)如圖3所示，由圖3可知，經(jīng)-160 ℃深冷處理后試樣的平均摩擦因數(shù)最低，比未深冷試樣降低了0.170。

圖3 不同深冷處理溫度下M2Al高速鋼試樣的摩擦因數(shù)變化曲線

由4組試樣的摩擦因數(shù)變化曲線可以看出每一條曲線都經(jīng)歷了磨合期、過渡期、穩(wěn)定期，這也對應(yīng)了實際摩擦過程中起步階段相對粗糙部分被磨損，摩擦因數(shù)迅速增大，逐漸從過渡期到穩(wěn)定期，摩擦因數(shù)開始穩(wěn)定，并且摩擦因數(shù)在很小的范圍內(nèi)波動。由圖4可知，經(jīng)-160 ℃深冷處理后的試樣最早進(jìn)入穩(wěn)定期，其他3組試樣進(jìn)入穩(wěn)定期時間較長，經(jīng)-80 ℃深冷處理后試樣的摩擦因數(shù)極不穩(wěn)定，上下波動幅度比較大，其余3組試樣的摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，波動幅度較小。未深冷處理及-80、-120、-160 ℃深冷處理試樣的平均摩擦因數(shù)分別為0.305、0.270、0.235、0.135，可見深冷溫度越低，摩擦因數(shù)越小，深冷處理組的摩擦因數(shù)普遍低于未深冷處理組的摩擦因數(shù)，說明深冷處理對M2Al高速鋼的高溫耐磨性有很大的提高。

2.3 磨損量分析

經(jīng)不同深冷工藝處理后試樣的磨損量測量結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，未深冷組試樣磨損量最大，經(jīng)-160 ℃深冷處理后試樣磨損量最小，隨著深冷溫度的降低，M2Al高速鋼試樣的磨損量逐漸減少，表明耐磨性也依次上升。經(jīng)過深冷處理M2Al高速鋼試樣耐磨性明顯提高，其中-160 ℃深冷處理的試樣耐磨性提升最明顯。

圖4 不同深冷處理溫度下M2Al高速鋼試樣的平均磨損量

2.4 磨痕形貌

通過圖5不同深冷工藝處理后M2Al高速鋼試樣的磨痕形貌，可以直觀看出材料在經(jīng)歷摩擦磨損后機械作用的劇烈程度，M2Al高速鋼試樣表面留下直線型的溝槽磨痕。未經(jīng)深冷處理的試樣磨損形貌比較粗糙，發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損，經(jīng)過深冷處理的M2Al高速鋼試樣表面比較光滑，磨損形式主要為磨粒磨損以及少量的粘著磨損。每組試樣的高溫摩擦磨損參數(shù)是相同的，從圖5可以看出，隨著深冷溫度的降低，高速鋼試樣表面的磨痕越來越平滑。深冷組試樣耐磨性的提升是由于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體與細(xì)小碳化物的析出，磨損是由于碳化物掉落而產(chǎn)生的溝槽以及較輕微的磨粒磨損和氧化區(qū)域[11-12]。

圖5 不同深冷處理溫度下M2Al高速鋼試樣的磨痕形貌

圖5(a)為未深冷處理 M2Al高速鋼試樣的磨損形貌，可以看出表面磨損為擠壓變形和碾壓變形，摩擦磨損最為嚴(yán)重，出現(xiàn)大量材料脫落現(xiàn)象，表面發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損。由于未深冷處理的高速鋼試樣基體硬度低，抵抗力差，因此其磨損量較大；圖5(b)為經(jīng)-80 ℃深冷處理后M2Al高速鋼試樣的磨損形貌，磨痕為細(xì)長狀的犁溝，微觀表面出現(xiàn)了凹坑，材料脫落現(xiàn)象較未深冷試樣有所減少；圖5(c)為經(jīng)-120 ℃深冷處理后M2Al高速鋼試樣的磨損形貌，磨痕主要是一些細(xì)長的犁溝和麻點，沒有出現(xiàn)材料成片脫落現(xiàn)象，磨損形式為磨粒磨損；圖5(d)為經(jīng)-160 ℃深冷處理后M2Al高速鋼試樣的磨損形貌，僅有一些狹長的小溝和細(xì)小的麻點，材料表面微觀不平整度很小，表面光滑，因此其磨損量最低，高溫耐磨性明顯高于其他試樣。

3 結(jié)論

1) 經(jīng)過深冷處理的M2Al高速鋼試樣微觀組織發(fā)生了變化，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，碳化物尺寸減小并且彌散分布在馬氏體基體上。隨著深冷溫度的降低，碳化物的尺寸減小并且分布均勻，其中-160 ℃深冷處理試樣的碳化物平均尺寸最小，分布最均勻。

2) M2Al高速鋼經(jīng)過深冷處理后高溫摩擦因數(shù)比未深冷的減小，其中-160 ℃深冷處理試樣的高溫摩擦因數(shù)比未深冷處理的降低了55.7%，經(jīng)過深冷處理的M2Al高速鋼磨損量比未深冷處理的減小，其中-160 ℃ 深冷處理后磨損量最小，表明-160 ℃深冷處理的試樣高溫耐磨性最好。

3) 未深冷處理的M2Al高速鋼試樣磨損形式為粘著磨損，出現(xiàn)成片材料大量脫落現(xiàn)象，隨著深冷處理溫度的降低，M2Al高速鋼試樣的主要磨損形式逐漸變?yōu)槟チＤp，磨痕變淺，其中-160 ℃深冷處理后磨損試樣表面最光滑，說明-160 ℃的深冷處理對M2Al高速鋼高溫耐磨性提升效果最好。