深冷处理与热处理工艺参数对M2高速钢杆件形变行为的影响

2019-05-08陈茂涛

热处理技术与装备 2019年2期

杨静，陈茂涛

(重庆红江机械有限责任公司，重庆 402162)

W6Mo5Cr4V2钢细长杆件是某公司生产的重要零件之一，在该类零件的生产过程中一直存在加工变形和成品尺寸不稳定的质量问题。尤其热处理后零件变形严重，而且变形尺寸的离散性较大，变形量在-0.30～+0.70 mm之间。由于该类型产品的应用领域对变形要求十分严格，不但为后续检验增加迂回纠偏的工作量，而且经常面临因加工余量不足而导致产品报废，在实际生产中造成重大损失。

深冷处理技术是从普通冷处理逐渐发展出来的一门新兴技术，是一种对材料综合性能均能起到良好优化作用的处理工艺，如硬度、耐磨性、降低残余应力方面均有良好的效果，目前在材料行业有着极好的应用[1-4]。深冷处理工艺不仅针对零件性能具有良好的优化作用，而且对于上文提到的产品加工过程中的尺寸稳定性的优化具有显著效果。顾开选、张红等人利用深冷处理对不同钢铁产品的尺寸稳定性的优化过程进行研究，发现产品的尺寸稳定性显著提高[5-9]。因此，本文将尝试将深冷处理与热处理相结合，探究合适的工艺参数来降低M2高速钢的热处理变形对产品的不良影响。

本文通过对W6Mo5Cr4V2钢细长杆件产品取样进行试验，在热处理过程中添加深冷处理后，从淬火温度、回火温度以及深冷工艺等参数对变形的影响开展研究，最终形成一套有效控制其热处理变形量以及成品尺寸稳定化的加工工艺方法。

1 试验材料与方法

试验材料为W6Mo5Cr4V2钢，化学成分如表1所示，毛坯为模锻件，之后进行一次球化退火处理，退火工艺如图1所示。

表1 W6Mo5Cr4V2钢化学成分(质量分数，%)

图1 W6Mo5Cr4V2钢球化退火工艺Fig.1 Spheroidizing annealing process of W6Mo5Cr4V2 steel

为了控制试验风险，先对试件进行试验，试件尺寸如图2所示。通过对W6Mo5Cr4V2钢长杆件的整体加工工艺进行分析认为，热处理变形主要受淬火温度、回火温度及深冷处理工艺等因素的影响。深冷处理采用国产主流深冷装备，在深冷处理过程中的温度控制[10-12]与热处理工艺有机结合，研究深冷处理与热处理的工艺参数，确定了三种试验方案：

方案一：回火温度固定为560 ℃，探究不同的淬火温度对热处理变形的影响，淬火温度分别为1200、1210、1220、1230、1240 ℃，工艺曲线如图3(a)所示；

方案二：淬火温度固定为1210 ℃，探究不同的回火温度对热处理变形的影响，回火温度分别为440、480、520、560、600 ℃，工艺曲线如图3(b)所示；

方案三：探究深冷处理与回火工艺的次序安排对热处理变形的影响，在淬火后先进行深冷处理，而后进行三次回火，总回火次数不变，淬火温度和回火温度分别设定为为1210 ℃和560 ℃，其他工艺参数不变，工艺曲线如图3(c)所示。其中深冷处理工艺均为在-180 ℃下保温3 h。

图2 试件尺寸图Fig.2 Dimensioning drawing of sample

2 试验结果及分析

2.1 淬火温度对试样变形的影响

淬火温度与试样在长度方向尺寸变化量的关系曲线如图4所示，可以看出试样在长度方向的尺寸变化随淬火温度的提高而增加。此规律在常规淬火温度范围内得到验证，即1200～1240 ℃。一般认为，随着淬火温度的升高，更多碳化物溶入晶格，奥氏体中溶入的碳及合金元素含量增加，奥氏体稳定性增加，马氏体转变开始点 (MS) 降低，淬火后材料中存在更多的残余奥氏体，而奥氏体的比容在钢中可能出现的各种组织中为最小[13]，故AR的增加会导致其长度方向的尺寸增量有缩小趋势。然而，实际的试验结果却与之相反，原因在于提高淬火温度只是增加了淬火后材料中的残余奥氏体含量，而淬火后的残余奥氏体是极不稳定的，很容易在后续过程中会发生转变。通过后续加工工艺的处理将残余奥氏体充分转变，由于残余奥氏体的转变过程是γ相转变为α相，该过程体积增加，进而导致长度方向上尺寸增大。所以提高淬火温度不一定增加钢中残余奥氏体含量，长度尺寸增量不一定变小。此外，提高淬火温度增加了工具钢在奥氏体化过程中的碳含量，这导致淬火后马氏体过饱和度的增加更加显著，增加了马氏体和奥氏体的比容差，只要在后续转变过程中奥氏体转变得比较彻底，将使得工件体积膨胀增大[14]，宏观表现为长度方向尺寸增加，外径也会有一定增加，这一点与试验结果相符。

(a)方案一工艺；(b)方案二工艺；(c)方案三工艺图3 热处理工艺路线图(a)project 1；(b)project 2；(c)project 3Fig.3 Process route diagram of heat treatmentnt

图4 淬火温度与工件长度尺寸变化的关系Fig.4 The relationship of quenching temperature and length change

2.2 回火温度和回火次数对试样变形的影响

先经过一次回火，然后深冷处理，最后再进行两次回火，其中回火温度与试样在经第一次回火后长度方向尺寸变化量的关系曲线如图5所示。由图可知，在1210 ℃淬火温度下，当回火温度低于520 ℃时，回火后长度方向尺寸缩短，其中520 ℃回火后尺寸缩短量达到最大值；随着回火温度的继续升高，伸长量开始增加。由图可知，在480 ℃时回火后试样整体的变化量最小。

图5 回火温度与变形的关系(1210 ℃淬火+高温回火一次)Fig.5 The relationship of tempering temperature and deformation (quenching at 1210 ℃and high temperature tempering for once)

众所周知，高速钢在高温回火过程中会有明显的“二次淬火”现象[15]。所谓“二次淬火”，即高速钢在回火过程中，残余奥氏体压应力松弛，且析出了部分碳化物，于是残余奥氏体中的碳和合金元素含量降低，进而降低残余奥氏体的稳定性，导致马氏体转变开始点 (MS) 升高。在回火冷却过程中，这种贫化的残余奥氏体转变为马氏体[16]。“二次淬火”会导致回火后工件长度尺寸增加，但影响效果与回火温度有很大的关系，且在第一次回火后最为明显，随后越来越小。图6中，560、600 ℃时尺寸增量较大，根据“二次淬火”效应理论，“二次淬火”效应发挥得越充分，零件长度增加得越大。在440、480、520 ℃回火后出现长度尺寸缩短，这是因为回火温度比较低，没有“二次淬火”效应，而马氏体在回火过程中发生了部分分解，析出了碳化物，导致尺寸缩短。由此可见，“二次淬火”效应发挥得是否充分是影响W6Mo5Cr4V2长杆件伸长与缩短的关键因素。回火温度与回火次数的关系曲线分别如图6所示。由图可知，在不同回火温度下，工件长度方向的尺寸变化与回火次数也有很大的关系。总体来说，回火温度低于520 ℃时，随着回火次数的增加，长度方向的尺寸变化量有越来越小的趋势；温度不低于520 ℃时，随着回火次数的增加，长度方向的尺寸变化量反而有增大的趋势。

2.3 深冷处理对试样变形的影响

试样先经过深冷处理后在560 ℃回火3次，不同回火次数的变形量如图7所示，共采集13组数据。由图7可知，在深冷处理后，进行第一次回火，整体的形变量基本处于0.2～0.3 mm，随着回火次数的增加，大部分形变量的变化位于0.02 mm以内。相比与方案二中随回火次数增加的变化量，先经过深冷处理后，以第一次回火后的尺寸为基准，经第二次、第三次回火后的变化量相对较小，说明淬火后先经过一次深冷处理可以使试样具备较好的尺寸稳定性。

经深冷处理后，由于低温环境达到马氏体转变温度以下，使淬火后组织中部分残余奥氏体得以继续转变，钢中大部分不稳定的残余奥氏体在此过程中转变，因此可以从第一次回火处理后的变形结果看到，第一次回火后由于奥氏体转变为马氏体的体积膨胀效应，变形量有了一定增大[17]。而由于经过深冷处理后组织中保留下来的残余奥氏体的稳定性较好而且本身含量较少，因此在后续两次的回火过程中转变量相对较少，因此，后两次回火后试样的整体变化量均不大。

3 生产中稳定和控制长杆件变形的措施

综上所述，W6Mo5Cr4V2钢试样长度方向尺寸的热处理变形受多重因素影响。根据上述试验结果，并结合笔者多年的生产经验，提出了实际生产中稳定和控制W6Mo5Cr4V2钢长杆件热处理变形的主要措施：

(a)440 ℃；(b) 480 ℃；(c)520 ℃；(d) 560 ℃；(e) 600 ℃图6 不同回火温度下不同回火次数对应的变形量Fig.6 Deformation corresponding to different number of tempering under different tempering temperature

1)采用淬火+深冷处理+高温回火三次+时效的工艺方案，并根据工件的变形和使用要求，选择并固化若干个工艺参数，同时对各工序的间隔时间做明确要求，将残奥控制在2%以内；

2)保证设备的炉温均匀性满足±5 ℃，尽量减小温度波动对工件变形的影响；

3)鉴于W6Mo5Cr4V2钢零件淬火后直接进行深冷处理会因应力较大而产生裂纹的原因，应尽量降低淬火温度，同时将油淬改为氮气淬火，深冷处理后20 min内进行高温回火处理。此工艺经过验证未发现裂纹的出现；

4)应根据零件的尺寸和结构，合理调整工艺时间，并进行固化。