深冷及回火处理对高速钢M42组织和力学性能影响＊

陈 刚，王琼霜，韩季初，周明哲，郭喜如

（1.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南泰嘉新材料科技股份有限公司，湖南 长沙 410200）

M42（W2Mo9Cr4VCo9）为超硬型高速钢系列中最有代表性的牌号，在刀具材料系列中具有不可替代的地位[1］.该钢种常用于双金属带锯条齿部材料，而这种切削工具的主要失效形式为磨损.一方面由于此种磨损不像其他刀具具有可磨性，属于一次性刀具.另一方面由于现代生产方式和经济因素的影响，切削方式基本为高速强力切削，对齿部材料的性能要求更高、更严格，因而要求其具有更高的硬度及切削性能[2］.

深冷处理作为传统热处理的扩展，常指冷却在液氮（－196℃）中的处理[3］.它能够提高材料的强度、韧性和耐磨性，同时改善微观组织的均匀性、尺寸稳定性，最近几年深冷处理常被许多公司用于提高一些特殊钢产品的使用寿命[4］.深冷处理较普通冷处理能更好地提高材料的综合性能，其主要原因是促进奥氏体转变以及随后马氏体分解和超微细碳化物的组织结构转变[5］.深冷处理中冷却温度、保温时间以及与淬、回火的组合方式都对处理效果有较大的影响[6］.文献[7－9］的研究结果表明，在完成常规热处理之后再进行深冷处理，材料的性能只有少量的提高，将深冷处理放在淬火后回火前对材料性能影响最大.在深冷处理保温时间研究方面，文献[7，10］的结果表明，延长材料在液氮中浸入的时间会在一定程度上提高其耐磨性能，但保温时间过长会降低材料的性能.Oppenkowski A等研究发现[7］D2热锻冷作钢在液氮中保温时间36h时耐磨性能最好，继续延长保温时间耐磨性能反而降低；在深冷处理对回火二次硬化的影响研究方面，文献[3，11］研究发现深冷处理及淬火都对二次硬化产生影响，但深冷处理降低二次硬化峰值，这是由于深冷处理消除了大量的残余奥氏体.

目前M42高速钢深冷处理时组织转变及工艺参数尚存在争议.本文将M42高速钢在不同保温时间下进行深冷处理，研究其在不同深冷工艺条件下的组织及硬度特征，探索深冷处理对M42高速钢组织转变的规律，以及深冷处理对M42高速钢回火二次硬化的影响.

1 实验材料及方法

本实验采用双金属带锯条齿尖部分M42高速钢的化学成分见表1.

表1 高速钢M42化学成分Tab.1 Chemical composition of M42HHS %

在生产线剪取齿部试样，对其进行1 208℃淬火处理，再对试样进行深冷及回火处理，深冷工艺为：在淬火后10min内将试样缓慢浸入液氮中，保温时间分别为1.5h，3h，6h，12h，24h和48h.按照不同深冷及常规热处理工艺组合进行试验，见表2.

表2 不同深冷及常规热处理工艺组合Tab.2 Deep cryogenic treatment combined with the traditional HSS heat treatment

对3号工艺和4号工艺的样品进行回火处理，在100～550℃之间每间隔25℃取样分析.

样品采用4%的硝酸酒精腐蚀10s后进行清洗、干燥，随后在GX40—D数码显微镜上进行金相观察，硬度测试采用MHV—2000型显微硬度计，其中载荷为9.8N，加载时间为15s；采用FEI Quanta 200环境扫描电子显微镜对微观组织进行深入分析.

2 结果与分析

2.1 深冷处理对微观组织的影响

2.1.1 深冷保温时间对微观组织的影响

对1号工艺与2号工艺中样品进行金相分析，分析深冷及深冷保温时间对微观组织的影响，结果见图1.

由图1可知，淬火样的晶粒不均匀，晶粒尺寸较大，最大的晶粒直径约为30μm，深冷处理后的晶粒最大尺寸约为20μm.深冷处理24h后晶粒尺寸普遍在5～10μm之间，晶粒尺寸更加细小.但是48h深冷处理与24h深冷处理相比晶粒度基本没有差别，深冷处理保温时间继续延长对改善组织的晶粒度作用不大.这可能是由于深冷处理24h左右时低温马氏体相变过程才完成，但延长保温时间对相变不继续产生影响.

高速钢淬火态一般只有MC和M6C两种碳化物[12］，由图1所示，碳化物的形态及分析特征可知，大部分碳化物呈块状析出于晶界处，部分位于晶内；深冷处理后大量细小碳化物在晶内均匀析出.这是由于深冷使Fe的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力.但由于低温下的扩散困难，扩散距离较短，不可能形成较大的碳化物，因此此时析出的碳化物尺寸十分细小，基本呈球状且数量较多.

因此随着深冷时间延长，晶内析出的弥散的细小碳化物逐渐增多，晶界处块状碳化物逐渐减少；当深冷至24h时晶粒最细小，碳化物分布均匀，继续延长保温时间的样品组织无明显变化.

2.1.2 深冷工艺对微观组织的影响

图2为保温时间24h时工艺1～5号样品的SEM照片.

对比图2（a）和图2（b）可知，经过深冷处理后的样品一次碳化物明显减少，形态由块状变为球形，同时在基体内均匀分布更多细小的二次碳化物在基体内.这是由于淬火后深冷处理导致大量残余奥氏体转变为马氏体，低温马氏体转变过程中伴随着塑性变形，应力诱发碳化物粒子的溶解[13］，导致深冷处理后尺寸较大的一次碳化物减少，形态趋向于球形碳化物.同时马氏体相变导致位错及空位密度增加，过饱和的位错及空位促进碳扩散，位错应力场和间隙碳原子相互作用，碳原子趋于分散在位错中，这个微观转变会导致细小碳化物的析出.淬火样晶粒平均尺寸为8μm，深冷后晶粒平均尺寸为5μm，深冷处理晶粒比淬火态晶粒细小.这可能是由于深冷处理后大量残余奥氏体转变为马氏体，晶界表面积增加，晶粒度增大，使深冷处理可以细化晶粒尺寸.其次，可能由于深冷处理的冷却过程中微观组织收缩，碳化物的热膨胀系数明显低于铁素体和奥氏体，内部微观应力增加，晶粒内产生一些微裂纹（如图2（b）所示），使晶粒尺寸减小.

对比图2（c）～图2（e）可知，回火对深冷处理组织的影响不明显，在晶界处仍有大块未溶的一次碳化物在晶界处，碳化物形态和分布无明显变化.这是由于回火后残余奥氏体已经转变为马氏体，微观应力已经释放，此时进行深冷处理对碳化物析出影响作用不大.深冷处理后再回火，晶内有许多细小的碳化物析出，晶界碳化物形态由块状趋向于球状.这是由于淬火后直接浸入液氮中深冷处理，在快速冷却的过程中造成大量的残余奥氏体转变为马氏体，在－196℃的温度下碳原子无法移动，导致更多的碳原子被困在淬火及深冷状态的马氏体中，造成原子排布相当大程度的紊乱，有利于回火时微观应力的释放和微细碳化物的大量析出.另一方面由于深冷处理时发生的马氏体相变导致位错及空位密度的增加，这些高密度的位错及过饱和的空位会促进碳原子的扩散，在随后的回火过程中碳化物大量析出，因此深冷处理应放在淬火和回火之间.

图2 不同深冷工艺的SEM照片Fig.2 The SEM of different deep cryogenic treatment processes

图3为经过不同深冷工艺处理的样品中马氏体的SEM照片.由图可见，回火后进行深冷处理，马氏体的形态基本维持原状，仍为细针状马氏体，相邻的马氏体位向不平行，呈一定交角排列.深冷处理后再回火，马氏体形态明显不同于针状马氏体，马氏体形态细长，且马氏体形态和位向都不明显.这表明，淬火后直接进行深冷处理时，马氏体长大的方式明显不同于常规热处理；回火后再进行深冷处理对马氏体长大方式没有造成影响，其形态没有明显变化.因此，在回火前进行深冷处理对组织形态影响最大.

图3 不同深冷工艺马氏体的SEM照片Fig.3 SEM of the Martensite in different deep cryogenic treatment processes

2.2 深冷处理对显微硬度的影响

2.2.1 深冷保温时间对显微硬度的影响

图4给出了淬火原态及淬火后深冷处理不同时间的样品硬度.

图4 高速钢M42不同深冷处理时间的硬度分布Fig.4 Hardness of M42HSS in different holding time of deep cryogenic treatment

由图4可知，高速钢M42未经过深冷处理时硬度值仅为922.1HV，随后进行深冷处理，硬度值显著增加，6h以后硬度增加趋于平缓，24h时达到最高值1 032.8HV，硬度值提高了12%.深冷处理后显微硬度的提高是由于深冷处理促使晶粒细化，碳化物形态细小、分布均匀以及发生马氏体相变并且细密化.深冷处理24h时硬度值最高，保温时间继续延长对组织基本没有影响.

2.2.2 深冷工艺对显微硬度的影响

图5给出了深冷处理工艺对M42钢硬度的影响.

图5 高速钢M42不同深冷工艺的硬度分布Fig.5 The Hardness distribution of M42HSS in different deep cryogenic treatment processes

由图5可知，深冷处理后进行520℃回火时的硬度值明显低于520℃回火后再进行深冷处理时的硬度值.深冷处理后进行回火，随着深冷时间的延长，硬度值降低，在24h时硬度值最低，仅为874.1 HV；然而回火处理后进行深冷处理，随着深冷时间延长硬度值增高，在24h时硬度值达到最高，为983.8HV.这主要是因为深冷处理过程中快速低温冷却造成了微观组织相当大程度的紊乱，有利于随后的回火时微应力的释放，所以深冷处理后再按照原回火工艺进行处理，则造成了过回火现象，硬度值大幅度降低.回火后再进行深冷处理，试样中的残余奥氏体已基本完全转变为马氏体，此时进行深冷处理不会产生大量的高密度位错的马氏体，马氏体主要以回火马氏体形式存在，组织无明显变化，从而对硬度值造成显著影响.

2.3 深冷处理对回火二次硬化的影响

图6给出了深冷处理工艺对回火二次硬化的影响.

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

由图可见，在500℃回火温度以下时，经过深冷处理的样品显微硬度明显高于未经深冷处理的样品，这主要是由于深冷处理造成大量的残余奥氏体转变为马氏体.经过深冷处理的样品和淬火样品都会产生回火的二次硬化效果，但未经过深冷处理的样品二次硬化峰处的温度为525℃，此处硬度值为950.8HV，而经过深冷处理的样品回火二次硬化峰处温度降低至450℃，此处硬度值为998.2HV.回火二次硬化是由于淬火马氏体分解析出细小、弥散的碳化物，常规热处理后在二次硬化峰析出的碳化物类型是M2C和MC，然而有些研究者[13］则认为经过深冷处理的样品在回火二次硬化峰处还会弥散析出非常细小的M7C3型碳化物.由此可知经过深冷处理的样品会析出数量愈多，愈弥散、细小的碳化物，则二次硬化能力愈强，二次硬化峰硬度值愈高.经过深冷处理的二次硬化峰值温度由525℃降低至450℃，这主要是由于经过深冷处理后大量残余奥氏体已经转变为淬火马氏体，马氏体畸变程度大，伴随着低温马氏体塑性变形时位错的产生和移动捕获不可移动的碳原子，促进了随后回火处理过程中马氏体的分解和碳化物的析出，则经过深冷处理后再按照原回火温度进行处理，会造成组织过回火，反而降低了硬度值，故经过深冷处理后二次硬化峰处的温度降低.

3 结 论

对高速钢M42进行不同保温时间的深冷处理，再进行不同深冷工艺处理以及回火处理，对比分析高速钢M42的组织及硬度，得到如下结论：

1）随着深冷保温时间延长，晶内析出的弥散细小碳化物逐渐增多，晶界处块状碳化物逐渐减少；当深冷至24h时晶粒最细小，碳化物分布均匀，硬度值较淬火态提高了12%，深冷24h以后继续延长保温时间组织及硬度值无明显变化.

2）回火前深冷处理对碳化物析出及马氏体长大方式影响大，而回火后深冷处理对高速钢M42的组织及硬度影响不大.

3）经过深冷处理后进行520℃回火硬度值明显低于520℃回火后再进行深冷处理.深冷处理将回火二次硬化峰值温度由525℃降低至450℃，二次硬化硬度值为998.2HV，提高了5.0%.

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