熱處理工藝對(duì)W2Mo9Cr4VCo8高速鋼硬度和組織的影響

王鑫，李錚，康風(fēng)波，李檢貴，葉健熠

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

W2Mo9Cr4VCo8(美國(guó)牌號(hào)M42)是超硬型高鈷韌性高速鋼，該鋼具有高的硬度和紅硬性，同時(shí)回火穩(wěn)定性及耐磨性也非常好，易于機(jī)加工，廣泛用于金屬切削刀具的制造[1]，但采用該材料制造軸承還不常見。為適應(yīng)某型號(hào)軸承高硬度(不小于67 HRC)、高耐磨性和耐疲勞性能的工況要求，嘗試選用了W2Mo9Cr4VCo8鋼制造此類軸承。對(duì)軸承零件的熱處理工藝進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)研究，闡述了熱處理工藝對(duì)該高速鋼硬度和組織的影響。

1 試樣制備

試驗(yàn)用料為直徑8 mm的W2Mo9Cr4VCo8鋼退火狀態(tài)直條料，供貨技術(shù)條件滿足GB/T 9943—2008《高速工具鋼》，其化學(xué)成分和材料的冶金質(zhì)量分別見表1、表2。將直條料切成若干小段，制備成熱處理試樣。

表1 W2Mo9Cr4VCo8鋼的化學(xué)成分 w，﹪

表2 W2Mo9Cr4VCo8鋼的冶金質(zhì)量

2 熱處理工藝試驗(yàn)及分析

2.1 工藝試驗(yàn)方案

淬火試驗(yàn)在WZC-45真空淬火爐內(nèi)進(jìn)行，淬火溫度選用1 150，1 165，1 180，1 200和1 220 ℃共5種。為減小加熱過(guò)程中試樣內(nèi)外溫度差和加熱時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，淬火前對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為850 ℃，預(yù)熱時(shí)間為20 min。5種淬火溫度的加熱時(shí)間均為12 min，采用油冷卻方式，冷卻15 min后分別進(jìn)行常溫和-78，-196 ℃冷處理，并保溫1 h；冷處理后自然回暖至室溫，并分別在520，535和550 ℃下進(jìn)行回火，回火時(shí)間均為1.5 h，回火3次，熱處理試驗(yàn)工藝曲線如圖1所示。

圖1 熱處理試驗(yàn)工藝曲線

2.2 淬火溫度對(duì)硬度和組織的影響

不同淬火溫度下對(duì)試樣進(jìn)行淬火試驗(yàn)，淬火后用洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度(3點(diǎn)均值)；對(duì)試樣進(jìn)行磨制、拋光，用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，金相顯微鏡觀察試樣淬火晶粒度，依據(jù)JB/T 11087—2011《滾動(dòng)軸承 鎢系高溫軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》對(duì)試樣淬火組織晶粒度進(jìn)行評(píng)定；測(cè)量試樣的殘余奧氏體含量，結(jié)果見表3。

表3 不同淬火溫度下試樣的硬度和組織測(cè)量結(jié)果

由表3可知，隨著淬火溫度的提高，試樣淬火硬度有逐漸降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著淬火溫度的提高，雖然鎢鉬碳化物能以較快速度溶解到奧氏體中，使奧氏體中的碳和合金元素的含量逐漸增加，馬氏體中的含量也增加，這時(shí)鋼的硬度理應(yīng)增加，但是奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)(Ms)隨這些合金元素含量的增加而降低，使淬火后鋼中的殘余奧氏體含量逐漸增加[2]，因此，硬度呈下降趨勢(shì)。隨著淬火溫度的提高，淬火組織晶粒度逐漸增大，如圖2所示。1 220 ℃時(shí)淬火晶粒度開始出現(xiàn)明顯長(zhǎng)大，出現(xiàn)晶界熔化、過(guò)燒等現(xiàn)象。

圖2 不同淬火溫度下試樣淬火組織晶粒度照片

2.3 冷處理、回火對(duì)硬度和回火組織的影響

不同冷處理和回火溫度下對(duì)試樣進(jìn)行回火試驗(yàn)，回火后用維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度(3點(diǎn)均值，并換算為洛氏硬度)；對(duì)試樣進(jìn)行磨制、拋光，然后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，依據(jù)JB/T 11087—2011對(duì)試樣回火組織進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表3、表4可知，不同溫度的淬火試樣，經(jīng)不同的冷處理工藝及回火工藝后，硬度都有不同程度的提高，同時(shí)隨著淬火溫度的提高，回火硬度值也明顯提高。隨著淬火溫度的提高回火組織級(jí)別也相應(yīng)提高，與淬火組織級(jí)別基本對(duì)應(yīng)(圖3)，1 220 ℃淬火試樣回火組織大于4級(jí)，出現(xiàn)過(guò)燒組織。3種不同冷處理工藝的試樣，經(jīng)同一回火溫度回火后硬度及回火組織變化相差不大。

表4 冷處理、回火工藝對(duì)試樣硬度及組織的影響

圖3 不同淬火溫度下試樣回火組織照片

2.4 殘余奧氏體含量分析

殘余奧氏體在200～300 ℃開始轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，到300 ℃時(shí)殘余奧氏體分解基本結(jié)束，但W2Mo9Cr4VCo8高速鋼基體中固溶有大量合金元素，使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，增加了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使得淬火高速鋼中有大量的殘余奧氏體，需要進(jìn)行回火消除。

不同淬火溫度、冷處理?xiàng)l件、回火條件下，經(jīng)過(guò)3次高溫回火后，用X射線衍射儀對(duì)W2Mo9Cr4VCo8試樣的殘余奧氏體含量進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)試樣殘余奧氏體含量為零，說(shuō)明3次高溫回火能夠完全消除殘余奧氏體。

2.5 熱處理工藝優(yōu)化

通過(guò)對(duì)該鋼的熱處理試驗(yàn)及結(jié)果分析，優(yōu)化后的熱處理工藝為：淬火溫度1 165～1 180 ℃，回火溫度535～550 ℃，回火3次，每次1.5 h。回火后試樣硬度為67.8～68.6 HRC，回火組織為3級(jí)，殘余奧氏體為零，符合該軸承對(duì)其性能的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)W2Mo9Cr4VCo8鋼在1 150～1 220 ℃溫度區(qū)間淬火，淬火硬度逐漸降低。

(2)W2Mo9Cr4VCo8鋼在1 150～1 220 ℃溫度區(qū)間淬火，520～550 ℃溫度區(qū)間3次回火，硬度逐漸提高，這主要是淬火后的殘余奧氏體在冷處理和回火過(guò)程中大量分解轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體及碳化物析出的緣故。

(3)淬火組織晶粒度隨淬火溫度的升高逐漸增大，1 220 ℃淬火后晶界出現(xiàn)了燒熔現(xiàn)象，為過(guò)燒組織。

(4)在3種不同的冷處理工藝下處理的試樣，經(jīng)同一回火溫度3次回火后，硬度及回火組織差別不大，殘余奧氏體含量均為零，因此可以不必進(jìn)行冷處理。