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        熱處理工藝對(duì)CM2高速鋼組織性能的影響

        2019-01-30 07:55:34李炎錚雷雄輝韋習(xí)成
        上海金屬 2019年1期
        關(guān)鍵詞:高速鋼磨損量碳化物

        何 星 李炎錚 雷雄輝 鄭 毅 陳 卓 韋習(xí)成

        (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

        高速鋼的使用已有近百年的歷史。目前,我國(guó)通用型高速鋼是鎢系高速鋼W18Cr4V和鎢鉬系高速鋼W6Mo5Cr4V2等。從20世紀(jì)90年代至今,主要以W6Mo5Cr4V2鋼為主[1]?,F(xiàn)今制造業(yè)的快速發(fā)展對(duì)高速鋼的使用性能,包括硬度、紅硬性、耐磨性、強(qiáng)韌性,以及適應(yīng)不同工作條件的其他性能,如模具用鋼的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性能等,提出了越來(lái)越高的要求。熱處理是提高高速鋼綜合性能的關(guān)鍵工序[1-2]。

        本文對(duì)CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速鋼進(jìn)行了不同溫度的淬火和回火處理[3-6],檢測(cè)了經(jīng)不同工藝熱處理的CM2高速鋼的硬度、沖擊韌性、耐磨性、顯微組織和磨損形貌,確定了能使CM2鋼獲得優(yōu)良性能的熱處理工藝參數(shù),并通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)分析了CM2鋼的磨損機(jī)制。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 化學(xué)成分及熱處理工藝

        試驗(yàn)用鋼為市售退火態(tài)CW6Mo5Cr4V2(CM2)高速鋼,硬度約為33 HRC,其化學(xué)成見表1。沖擊試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和摩擦磨損試驗(yàn)用試樣尺寸分別為55 mm×10 mm×10 mm、15 mm×15 mm×10 mm和φ20 mm×3.2 mm。熱處理前,為防止試樣淬火加熱時(shí)表面發(fā)生嚴(yán)重氧化、脫碳,將試樣密封在真空石英管中。

        表1 試驗(yàn)用CW6Mo5Cr4V2鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the CW6Mo5Cr4V2 steel for test (mass fraction) %

        圖1所示為熱處理工藝,T1表示淬火溫度,T2表示回火溫度。為揭示淬火溫度對(duì)CM2鋼的組織和性能的影響,將淬火溫度T1設(shè)定為1 150、1 200和1 250 ℃,回火溫度T2為550 ℃;為了解回火溫度對(duì)CM2鋼的組織和性能的影響,將淬火溫度T1設(shè)定為1 200 ℃,回火溫度T2設(shè)定為490、520、550、580和610 ℃。采用高溫箱式爐進(jìn)行淬火加熱,回火設(shè)備為箱式電阻爐。

        圖1 CM2鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process for the CM2 steel

        1.2 晶粒度

        根據(jù)GB/T 6394—2002中比較法,將試樣磨、拋和用5%苦味酸溶液腐蝕后,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖評(píng)定其晶粒度。

        1.3 顯微組織和力學(xué)性能

        使用MH-300硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度,每個(gè)試樣測(cè)5點(diǎn),取平均值;使用JB-S300C型數(shù)顯擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),試樣無(wú)缺口,同一種熱處理工藝測(cè)3個(gè)試樣,取平均值。采用Nikon MA100電腦型雙目倒置金相顯微鏡觀察組織。上述試驗(yàn)均在去除試樣表面氧化層后進(jìn)行。

        1.4 耐磨性

        采用DX-NPO11 POD銷盤磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)為壓力50 N,轉(zhuǎn)速477 r/min,時(shí)間3 600 s,對(duì)磨材料為直徑5 mm的SiC球。每組摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)3個(gè)試樣,測(cè)量磨損前后的質(zhì)量差,以3個(gè)試樣的平均失重作為磨損量。采用CP225D萬(wàn)分之一電子天平稱重,最大值為220 g,儀器精度為0.01 mg。用VHX-600K數(shù)碼顯微鏡觀察磨損形貌。

        2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

        2.1 淬火溫度對(duì)晶粒度的影響

        奧氏體晶粒度可以用單位面積的晶粒數(shù)(n)表示,奧氏體晶粒度級(jí)別G與晶粒大小的關(guān)系:

        n=2G-1

        式中:n為放大100倍時(shí)每平方英寸(645 mm2)面積內(nèi)的平均顆粒數(shù)。對(duì)鋼來(lái)說(shuō),不特別指明時(shí),晶粒度是指奧氏體化后的實(shí)際晶粒度,主要受加熱溫度和保溫時(shí)間的影響。加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng),奧氏體晶粒越容易長(zhǎng)大[3]。

        圖2是從1 150、1 200和1 250 ℃淬火的CM2鋼的顯微組織,隨著淬火溫度的升高,晶粒明顯長(zhǎng)大。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖對(duì)比,得出淬火溫度為1 150 ℃時(shí),鋼的晶粒度為10級(jí);淬火溫度為1 200 ℃時(shí),晶粒度為9.5級(jí);淬火溫度為1 250 ℃時(shí),晶粒度為8級(jí)。生產(chǎn)實(shí)踐表明,鋼材加熱時(shí)形成的奧氏體晶粒大小,對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變及鋼的力學(xué)性能有很大的影響[7]。

        2.2 淬火溫度對(duì)性能的影響

        從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的顯微組織見圖3。1 150 ℃為低溫淬火,淬火后鋼的組織很細(xì)小,碳化物溶解少,仍是不規(guī)則塊狀或條狀。隨著淬火溫度升高到1 200 ℃,碳化物溶解量增加,元素?cái)U(kuò)散能力提高,一次條塊碳化物溶解,提高了奧氏體的合金元素含量,有利于淬火后獲得高硬度的馬氏體,并趨于球團(tuán)化,從而減弱了一次碳化物對(duì)基體的割裂作用。當(dāng)淬火溫度升高至1 250 ℃時(shí),組織明顯粗化,碳化物相互連接[4-6]。因而,在回火工藝相同的情況下,從1 200 ℃淬火的CM2鋼硬度最高,如圖4所示,為65.4 HRC。CM2鋼經(jīng)多次回火后,彌散析出大量的碳化物,加上殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,使其產(chǎn)生顯著的二次硬化效應(yīng)[8]。

        圖2 從不同溫度淬火的CM2鋼試樣的顯微組織Fig.2 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures

        圖3 從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃

        圖4為CM2鋼從不同溫度淬火并550 ℃回火后由銷盤磨損試驗(yàn)獲得的平均磨損量。經(jīng)1 150 ℃淬火的CM2鋼的磨損量為1.65 mg,比1 200 ℃淬火的CM2鋼的磨損量大36.4%,比1 250 ℃淬火的CM2鋼磨損量大55.7%。圖5為從1 150、 1 200和1 250 ℃淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)。

        圖4 CM2鋼淬火并于550 ℃回火后的硬度和磨損量隨淬火溫度的變化Fig.4 Hardness and wear loss of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃as a function of austenitizing temperature

        圖5表明,經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)比1 150 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼的小。綜合分析圖4和圖5可以得出,回火工藝相同,1 200 ℃淬火的CM2鋼的耐磨性更好。

        圖5 從不同溫度淬火并于550 ℃回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of the CM2 steel quenched from different temperatures and tempered at 550 ℃ with duration of fractional wear test

        圖6是CM2鋼淬火和550 ℃回火后的沖擊吸收能量隨淬火溫度的變化。從圖6中可以看出,CM2鋼的沖擊吸收能量隨著淬火溫度的提高先增大后減小。經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼,其沖擊吸收能量最大,為16.5 J,是1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼(8.4 J)的1.96倍,是1 250 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼(7.6 J)的2.17倍。1 200 ℃淬火的CM2鋼中有更多的碳化物溶解(與1 150 ℃淬火的相比),晶粒沒(méi)有明顯粗化(與1 250 ℃淬火的相比),因而具有更好的沖擊韌性。

        圖6 CM2鋼淬火并于550 ℃回火后的沖擊吸收能量隨淬火溫度的變化Fig.6 Impact absorption energy of the CM2 steel hardened and tempered at 550 ℃ as a function of austenitizing temperature

        2.3 回火溫度對(duì)性能的影響

        經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的硬度隨回火溫度的變化如圖7所示。圖7表明,由于馬氏體回火、碳化物析出和長(zhǎng)大以及殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,CM2鋼在550 ℃回火后的硬度最高,為65.4 HRC,比其他溫度回火的CM2鋼高1~5 HRC。圖8為經(jīng)1 200 ℃淬火和不同溫度回火的CM2鋼由銷盤摩擦磨損試驗(yàn)獲得的摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化。圖8表明,550和610 ℃回火后,CM2鋼的摩擦因數(shù)較低。結(jié)合圖7的最低磨損量和圖8的較低的摩擦因數(shù),可見經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃3次回火的CM2鋼的耐磨性能較好[9-10]。

        圖9為經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火的CM2鋼摩擦磨損試驗(yàn)后的磨損形貌。由于試樣是在室溫進(jìn)行干摩擦,沒(méi)有潤(rùn)滑劑,且承受的單位正應(yīng)力較大,所以隨著摩擦試驗(yàn)的進(jìn)行,會(huì)在摩擦面產(chǎn)生大量的熱,使試樣與對(duì)磨球的摩擦面焊合,持續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又使之撕裂,導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移,即發(fā)生粘著磨損。

        圖7 經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的硬度和磨損量隨回火溫度的變化Fig.7 Hardness and wear loss of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ as a function of tempering temperature

        圖8 經(jīng)1 200 ℃淬火和不同溫度回火的CM2鋼的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化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

        除粘著磨損外,CM2鋼與SiC球摩擦磨損時(shí),還伴隨有磨粒磨損和氧化磨損。CM2鋼與SiC球摩擦接觸后,表面材料的耗損過(guò)程也是磨屑從表面產(chǎn)生和脫落的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中形成的是比較疏松的氧化物磨屑(黑色FeO、紅棕色Fe2O3)。隨著氧化物磨屑增多,會(huì)導(dǎo)致金屬表面形成點(diǎn)蝕坑。當(dāng)磨粒的形狀與位向不利于切削時(shí),磨粒將使材料產(chǎn)生犁溝變形[11]。后來(lái)的磨??赡軙?huì)將堆積起來(lái)的材料壓平,也可能使犁溝變形的材料再一次遭受犁溝變形,如此反復(fù),將導(dǎo)致材料開裂、斷裂。

        圖9 經(jīng)1 200 ℃淬火和550 ℃回火的CM2鋼摩擦磨損試驗(yàn)后的形貌Fig.9 Pattern of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ and tempered at 550 ℃ after frictional wear test

        經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的沖擊韌性隨回火溫度的變化見圖10。圖10表明,1 200 ℃淬火、520 ℃回火的CM2鋼的沖擊吸收能量達(dá)到了最大值。在550 ℃3次回火的CM2鋼的沖擊吸收能量為16.5 J,雖略低于490 ℃回火的,但比580 ℃回火的高1.3%,比610 ℃回火的高19.1%。上述結(jié)果說(shuō)明,經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃回火3次的CM2鋼的綜合性能最佳。

        圖10 經(jīng)1 200 ℃淬火的CM2鋼的沖擊吸收能量隨回火溫度的變化Fig.10 Impact absorption energy of the CM2 steel quenched from 1 200 ℃ as a function of tempering temperature

        3 結(jié)論

        (1)當(dāng)淬火溫度為1 250 ℃時(shí),CM2鋼的晶粒明顯長(zhǎng)大;550 ℃3次回火后,碳化物相互連接,對(duì)CM2鋼的沖擊韌性有不良影響。

        (2)經(jīng)1 200 ℃淬火、550 ℃3次回火后,CM2鋼的二次硬化效應(yīng)明顯,其硬度達(dá)65.4 HRC,耐磨性能好,沖擊韌性適中,綜合性能優(yōu)異。

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