热处理工艺对CM2高速钢组织性能的影响

2019-01-30李炎铮雷雄辉韦习成

上海金属 2019年1期

何星李炎铮雷雄辉郑毅陈卓韦习成

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

高速钢的使用已有近百年的历史。目前，我国通用型高速钢是钨系高速钢W18Cr4V和钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2等。从20世纪90年代至今，主要以W6Mo5Cr4V2钢为主[1]。现今制造业的快速发展对高速钢的使用性能，包括硬度、红硬性、耐磨性、强韧性，以及适应不同工作条件的其他性能，如模具用钢的高温力学性能、耐腐蚀性能等，提出了越来越高的要求。热处理是提高高速钢综合性能的关键工序[1-2]。

本文对CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速钢进行了不同温度的淬火和回火处理[3-6]，检测了经不同工艺热处理的CM2高速钢的硬度、冲击韧性、耐磨性、显微组织和磨损形貌，确定了能使CM2钢获得优良性能的热处理工艺参数，并通过摩擦磨损试验分析了CM2钢的磨损机制。

1 试验材料与方法

1.1 化学成分及热处理工艺

试验用钢为市售退火态CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速钢，硬度约为33 HRC，其化学成见表1。冲击试验、金相检验和摩擦磨损试验用试样尺寸分别为55 mm×10 mm×10 mm、15 mm×15 mm×10 mm和φ20 mm×3.2 mm。热处理前，为防止试样淬火加热时表面发生严重氧化、脱碳，将试样密封在真空石英管中。

表1 试验用CW6Mo5Cr4V2钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the CW6Mo5Cr4V2 steel for test (mass fraction) %

图1所示为热处理工艺，T1表示淬火温度，T2表示回火温度。为揭示淬火温度对CM2钢的组织和性能的影响，将淬火温度T1设定为1 150、1 200和1 250 ℃，回火温度T2为550 ℃；为了解回火温度对CM2钢的组织和性能的影响，将淬火温度T1设定为1 200 ℃，回火温度T2设定为490、520、550、580和610 ℃。采用高温箱式炉进行淬火加热，回火设备为箱式电阻炉。

图1 CM2钢的热处理工艺Fig.1 Heat treatment process for the CM2 steel

1.2 晶粒度

根据GB/T 6394—2002中比较法，将试样磨、抛和用5%苦味酸溶液腐蚀后，对照标准评级图评定其晶粒度。

1.3 显微组织和力学性能

使用MH-300硬度计测量显微硬度，每个试样测5点，取平均值；使用JB-S300C型数显摆锤冲击试验机进行冲击试验，试样无缺口，同一种热处理工艺测3个试样，取平均值。采用Nikon MA100电脑型双目倒置金相显微镜观察组织。上述试验均在去除试样表面氧化层后进行。

1.4 耐磨性

采用DX-NPO11 POD销盘磨损试验仪进行摩擦磨损试验，试验参数为压力50 N，转速477 r/min，时间3 600 s，对磨材料为直径5 mm的SiC球。每组摩擦磨损试验测3个试样，测量磨损前后的质量差，以3个试样的平均失重作为磨损量。采用CP225D万分之一电子天平称重，最大值为220 g，仪器精度为0.01 mg。用VHX-600K数码显微镜观察磨损形貌。

2 试验结果和分析

2.1 淬火温度对晶粒度的影响

奥氏体晶粒度可以用单位面积的晶粒数(n)表示，奥氏体晶粒度级别G与晶粒大小的关系：

n=2G-1

式中：n为放大100倍时每平方英寸(645 mm2)面积内的平均颗粒数。对钢来说，不特别指明时，晶粒度是指奥氏体化后的实际晶粒度，主要受加热温度和保温时间的影响。加热温度越高、保温时间越长，奥氏体晶粒越容易长大[3]。

图2是从1 150、1 200和1 250 ℃淬火的CM2钢的显微组织，随着淬火温度的升高，晶粒明显长大。通过与标准评级图对比，得出淬火温度为1 150 ℃时，钢的晶粒度为10级；淬火温度为1 200 ℃时，晶粒度为9.5级；淬火温度为1 250 ℃时，晶粒度为8级。生产实践表明，钢材加热时形成的奥氏体晶粒大小，对冷却转变及钢的力学性能有很大的影响[7]。

2.2 淬火温度对性能的影响

从不同温度淬火并于550 ℃回火的CM2钢的显微组织见图3。1 150 ℃为低温淬火，淬火后钢的组织很细小，碳化物溶解少，仍是不规则块状或条状。随着淬火温度升高到1 200 ℃，碳化物溶解量增加，元素扩散能力提高，一次条块碳化物溶解，提高了奥氏体的合金元素含量，有利于淬火后获得高硬度的马氏体，并趋于球团化，从而减弱了一次碳化物对基体的割裂作用。当淬火温度升高至1 250 ℃时，组织明显粗化，碳化物相互连接[4-6]。因而，在回火工艺相同的情况下，从1 200 ℃淬火的CM2钢硬度最高，如图4所示，为65.4 HRC。CM2钢经多次回火后，弥散析出大量的碳化物，加上残留奥氏体转变为马氏体，使其产生显著的二次硬化效应[8]。

图2 从不同温度淬火的CM2钢试样的显微组织Fig.2 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures

图3 从不同温度淬火并于550 ℃回火的CM2钢的显微组织Fig.3 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃

图4为CM2钢从不同温度淬火并550 ℃回火后由销盘磨损试验获得的平均磨损量。经1 150 ℃淬火的CM2钢的磨损量为1.65 mg，比1 200 ℃淬火的CM2钢的磨损量大36.4%，比1 250 ℃淬火的CM2钢磨损量大55.7%。图5为从1 150、 1 200和1 250 ℃淬火并于550 ℃回火的CM2钢的摩擦因数。

图4 CM2钢淬火并于550 ℃回火后的硬度和磨损量随淬火温度的变化Fig.4 Hardness and wear loss of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃as a function of austenitizing temperature

图5表明，经1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2钢的摩擦因数比1 150 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2钢的小。综合分析图4和图5可以得出，回火工艺相同，1 200 ℃淬火的CM2钢的耐磨性更好。

图5 从不同温度淬火并于550 ℃回火的CM2钢的摩擦因数随摩擦磨损试验时间的变化Fig.5 Variation of friction coefficient of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃ with duration of fractional wear test

图6是CM2钢淬火和550 ℃回火后的冲击吸收能量随淬火温度的变化。从图6中可以看出，CM2钢的冲击吸收能量随着淬火温度的提高先增大后减小。经1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2钢，其冲击吸收能量最大，为16.5 J，是1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2钢(8.4 J)的1.96倍，是1 250 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2钢(7.6 J)的2.17倍。1 200 ℃淬火的CM2钢中有更多的碳化物溶解(与1 150 ℃淬火的相比)，晶粒没有明显粗化(与1 250 ℃淬火的相比)，因而具有更好的冲击韧性。

图6 CM2钢淬火并于550 ℃回火后的冲击吸收能量随淬火温度的变化Fig.6 Impact absorption energy of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃ as a function of austenitizing temperature

2.3 回火温度对性能的影响

经1 200 ℃淬火的CM2钢的硬度随回火温度的变化如图7所示。图7表明，由于马氏体回火、碳化物析出和长大以及残留奥氏体向马氏体的转变，CM2钢在550 ℃回火后的硬度最高，为65.4 HRC，比其他温度回火的CM2钢高1～5 HRC。图8为经1 200 ℃淬火和不同温度回火的CM2钢由销盘摩擦磨损试验获得的摩擦因数随滑动时间的变化。图8表明，550和610 ℃回火后，CM2钢的摩擦因数较低。结合图7的最低磨损量和图8的较低的摩擦因数，可见经1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2钢的耐磨性能较好[9-10]。

图9为经1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2钢摩擦磨损试验后的磨损形貌。由于试样是在室温进行干摩擦，没有润滑剂，且承受的单位正应力较大，所以随着摩擦试验的进行，会在摩擦面产生大量的热，使试样与对磨球的摩擦面焊合，持续的相对运动又使之撕裂，导致材料转移，即发生粘着磨损。

图7 经1 200 ℃淬火的CM2钢的硬度和磨损量随回火温度的变化Fig.7 Hardness and wear loss of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ as a function of tempering temperature

图8 经1 200 ℃淬火和不同温度回火的CM2钢的摩擦因数随摩擦磨损试验时间的变化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

除粘着磨损外，CM2钢与SiC球摩擦磨损时，还伴随有磨粒磨损和氧化磨损。CM2钢与SiC球摩擦接触后，表面材料的耗损过程也是磨屑从表面产生和脱落的过程。在这个过程中形成的是比较疏松的氧化物磨屑(黑色FeO、红棕色Fe2O3)。随着氧化物磨屑增多，会导致金属表面形成点蚀坑。当磨粒的形状与位向不利于切削时，磨粒将使材料产生犁沟变形[11]。后来的磨粒可能会将堆积起来的材料压平，也可能使犁沟变形的材料再一次遭受犁沟变形，如此反复，将导致材料开裂、断裂。

图9 经1 200 ℃淬火和550 ℃回火的CM2钢摩擦磨损试验后的形貌Fig.9 Pattern of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ and tempered at 550 ℃ after frictional wear test

经1 200 ℃淬火的CM2钢的冲击韧性随回火温度的变化见图10。图10表明，1 200 ℃淬火、520 ℃回火的CM2钢的冲击吸收能量达到了最大值。在550 ℃3次回火的CM2钢的冲击吸收能量为16.5 J，虽略低于490 ℃回火的，但比580 ℃回火的高1.3%，比610 ℃回火的高19.1%。上述结果说明，经1 200 ℃淬火、550 ℃回火3次的CM2钢的综合性能最佳。