W2Mo9Cr4VCo8鉸刀熱處理工藝分析

王幫艷

（襄陽航泰動(dòng)力機(jī)器廠，湖北 襄陽 441002）

1 概述

隨著航空裝備的更新?lián)Q代，新材料的應(yīng)用力度逐步加大，特別是一些特殊高溫合金的加工，對(duì)專用刀具的要求也越來越高。我們?cè)诮M合加工K477等軸晶鑄造高溫合金零件的臺(tái)階定位孔時(shí)，設(shè)計(jì)了專用锪孔鉸刀，鉸刀材料采用W2Mo9Cr4VCo8超硬高速鋼，見圖1。W2Mo9Cr4VCo8是高鈷韌性高速鋼，該材料含有鎢、鉬、鉻、釩、鈷等合金元素，其合金總量達(dá)25%左右。通過合適的熱處理后，晶粒細(xì)致均勻，硬度可達(dá)67HRC～70HRC，具有高紅硬性，高耐磨耗性與高沖擊韌性，且切削加工性能良好，易于制成復(fù)雜刀具。

2 熱處理工藝分析

2.1 淬火工藝分析

2.1.1 預(yù)熱

W2Mo9Cr4VCo8超硬高速鋼由于含有大量合金元素：Cr3.50～ 4.50%、V0.95～ 1.35%、W1.15～ 1.85%、Mo9.0～10.0%、Co7.50～8.50%，但是因含碳量較高（C1.00～1.15%）及其它非金屬雜質(zhì)的影響導(dǎo)致其塑性較差，傳導(dǎo)熱的性能不足。假設(shè)我們將鉸刀的溫度由25℃直接升至1200℃以上，鉸刀會(huì)發(fā)生變形甚至?xí)l(fā)生斷裂，特別是變徑軸類零件尤為嚴(yán)重，因此在淬火前必須進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱可縮短高溫加熱時(shí)間，有利于防止鉸刀氧化脫碳及過熱缺陷傾向。在本文中我們采用了預(yù)熱的方式進(jìn)行操作，在淬火前進(jìn)行了兩次預(yù)熱，在溫度到達(dá)620～640℃進(jìn)行第一次預(yù)熱，此方式是為了烘干鉸刀上的水分，使其不影響后續(xù)的操作的正常進(jìn)行；在溫度到達(dá)800～820℃進(jìn)行第二次預(yù)熱，此方式是為了使索氏體向奧氏體進(jìn)行轉(zhuǎn)變；然后在預(yù)熱結(jié)束之后迅速加熱到1220～1250℃進(jìn)行最終的操作。

2.1.2 加熱、冷卻方式選擇

最終熱處理后硬度要求為66HRC～69HRC，為了避免精加工時(shí)磨削燒傷鉸刀切削刃，所留的精加工余量較小，要求熱處理工藝穩(wěn)定和尺寸變形小，因此采用真空高壓的方式進(jìn)行操作。使用真空的方式進(jìn)行操作可以有效避免零件變形，能夠確保工藝參數(shù)操作的執(zhí)行。由于锪孔鉸刀形位精度要求較高，結(jié)合鉸刀的橫截面積以及精加工余量，對(duì)W2Mo9Cr4VCo8在溫度到達(dá)620～640℃及800～820℃分別進(jìn)行了預(yù)熱。本文對(duì)不同淬火壓力下的零件進(jìn)行了測(cè)試，采用5～6bar淬火壓力的條件下就能滿足產(chǎn)品要求，結(jié)果如表1所示。

表1 淬火壓力與硬度與組織

2.1.3 淬火溫度的選擇

高速鋼中加入Cr、W、Mo、V等元素主要是為了形成合金碳化物，合金碳化物的體積細(xì)小、硬度高、分散能力強(qiáng)，可以用來進(jìn)行二次硬化操作。為了使W、Mo、V等的碳化物最大程度地進(jìn)行溶解，傳統(tǒng)的高速鋼淬火加熱會(huì)采用高溫的方式，這在一定程度上會(huì)提高鋼的二次硬化效果，提高材料的室溫硬度及紅硬性，這在一定程度會(huì)造成能源的浪費(fèi)，加熱過程溫度較高，工人操作的危險(xiǎn)系數(shù)增高。

淬火后只有合金元素含量高的馬氏體才具有更高的紅硬性，Cr、W、Mo、V等合金元素在達(dá)到1000℃以上時(shí)，其溶解量才急劇增加，才會(huì)有更多的Cr、W、Mo、V溶于奧氏體中。在奧氏體中加入合金元素后，體系的穩(wěn)定性得到提高，MS點(diǎn)得到降低。在淬火的過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變的量較少，殘余奧氏體的量較多，二者呈現(xiàn)反向關(guān)系。在加入元素進(jìn)行加熱之后，高速鋼中難溶于溶劑的合金碳化物增多，高速鋼的精度下降。為了使合金碳化物充分溶解到奧氏體中，淬火的溫度需要提升到合金碳化物溶解的臨界點(diǎn)以上。在溫度超過1300℃時(shí)，合金碳化物溶解量較之前的速度放緩，且奧氏體晶粒體積增加迅速，在晶界處會(huì)發(fā)生熔化等不良反應(yīng)，致使鋼的強(qiáng)度和韌性等不斷下降。

淬火溫度較低時(shí)，奧氏體中溶解的碳及合金元素量較少。奧氏體中溶解的合金元素含量較少會(huì)導(dǎo)致其體系的穩(wěn)定性較差。在之后的淬火冷卻過程中，馬氏體的轉(zhuǎn)變會(huì)比較快速，在進(jìn)行淬火操作之后，殘余奧氏體的含量會(huì)達(dá)到新低。因此，在保證溫度的情況下，淬火溫度越高，高速鋼的紅硬性越好。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們常用淬火時(shí)奧氏體晶體的大小來確保溫度的合適度。對(duì)高速鋼來說，合適的晶粒度為9.5～10.5級(jí)。高速鋼常用加熱系數(shù)為50s/mm，锪孔鉸刀按此計(jì)算加熱保溫時(shí)間大概定為8分鐘。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著淬火溫度升高，晶粒度級(jí)別逐漸降低（晶粒長大）。溫度在1200℃以下時(shí)，晶粒度穩(wěn)定在10級(jí)左右。當(dāng)溫度超過1200℃時(shí)，晶粒度下降。當(dāng)溫度超過1260℃時(shí)，基體中存有的碳化物增多，使原來的碳化物顆粒減少，晶粒度下降為8～5級(jí)。因此，基體的淬火溫度應(yīng)選擇在1200～1230℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)表明，W2Mo9Cr4VCo8材料采用兩段預(yù)熱1220℃淬火的工藝可滿足锪孔鉸刀的晶粒度要求。

圖1 鉸刀示意圖

2.2 回火工藝分析

2.2.1 回火溫度的選擇

在進(jìn)行淬火之后，基體組織處于一種亞穩(wěn)定的情況，內(nèi)應(yīng)力大，奧氏體剩余量增多。假如省略回火操作，基體中隱性裂紋就會(huì)產(chǎn)生，不穩(wěn)定因素增多。為了增加組織為應(yīng)力，提高基體的穩(wěn)定性，使得其硬度和紅硬性等性能增高，淬火后需要馬上對(duì)基體進(jìn)行回火處理。該回火處理達(dá)到了二次硬化的結(jié)果，該技術(shù)使得某些存在于固溶體中的元素在溫度允許的范圍內(nèi)以碳化物的形式以晶體的形式析出，形成細(xì)小顆粒，這些細(xì)小顆粒的沉淀會(huì)形成二次硬化。

在溫度變?yōu)?00℃～300℃時(shí)，殘余奧氏體會(huì)逐漸朝向下貝氏體的方向轉(zhuǎn)變。在溫度變?yōu)?00℃～500℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生回火托氏體，它的可塑性極強(qiáng)，彈性高。在溫度變?yōu)?00℃～600℃時(shí)，析出的碳化物會(huì)使得組織產(chǎn)生彌散硬化。在進(jìn)行回火時(shí)，碳含量會(huì)大大下降，基體中合金的含量也較之前減少，這在一定程度上使得轉(zhuǎn)變的溫度上升。在后續(xù)的冷卻操作中，其會(huì)進(jìn)一步變回回火馬氏體。而0℃～550℃進(jìn)行回火時(shí)，珠光體會(huì)發(fā)生系列轉(zhuǎn)變，硬度會(huì)降低。綜合多方面考慮，進(jìn)行回火的最高溫度是550℃。

2.2.2 回火次數(shù)及保溫時(shí)間的選擇

基體中存在的合金元素會(huì)導(dǎo)致過冷奧氏體C曲線向右方移動(dòng)，這在一定程度上會(huì)導(dǎo)致馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度有所下降。在其他條件不變的情況下，冷奧氏體的穩(wěn)定性會(huì)得到進(jìn)一步提升，這一操作也使得奧氏體剩余量的含量大大增加，需要進(jìn)行多次回火才能將奧氏體剩余量的含量降低。在通常情況下，奧氏體三次回火之后的剩余量明顯減少。回火次數(shù)應(yīng)當(dāng)適中，過多會(huì)導(dǎo)致碳化物析出過多，過少奧氏體剩余量會(huì)增多，高速鋼的硬度等得不到保障。

試驗(yàn)時(shí)使用了高溫回火技術(shù)：首先將其放進(jìn)高溫爐內(nèi)，把爐內(nèi)溫度提升到550℃，保溫2小時(shí)，再冷卻到溫度達(dá)到300℃，這個(gè)過程我們稱之為一個(gè)回火周期，二次回火指重復(fù)該操作一次，三次回火指重復(fù)該操作兩次，以此類推。

在560℃進(jìn)行回火時(shí)，馬氏體會(huì)再次轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，奧氏體中的合金碳化物也會(huì)隨溫度的改變不斷析出，這會(huì)使得基體中碳元素的含量降低，Ms點(diǎn)上升，由于未能冷卻到Mz，回火后奧氏體不能完全消除。第一次回火的結(jié)果為回火馬氏體+淬火馬氏體+殘余奧氏體。第二次回火是對(duì)第一次回火時(shí)形成的淬火馬氏體進(jìn)行回火，碳化物會(huì)被持續(xù)析出，Ms點(diǎn)升高，冷卻后得到淬火馬氏體和少數(shù)奧氏體剩余，所以，高速鋼需要進(jìn)行多次回火來提高其精度和韌性。

2.2.3 回火次數(shù)對(duì)殘余奧氏體的影響

為了確定回火次數(shù)對(duì)奧氏體剩余量是否有影響，我們對(duì)淬火后不同回火次數(shù)對(duì)殘余奧氏體及硬度進(jìn)行了對(duì)比，在進(jìn)行淬火后基體組織中含有馬氏體和奧氏體，還有從奧氏體中析出的共晶碳化物VC 及少量二次碳化物Mo2C。表2是淬火后不同回火次數(shù)對(duì)殘余奧氏體及硬度平均值對(duì)比

表2 淬火后不同回火次數(shù)對(duì)殘余奧氏體及硬度對(duì)比

通過對(duì)淬火后不同回火次數(shù)對(duì)殘余奧氏體及硬度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過三次或者四次回火，奧氏體剩余量幾乎下降為零。我們?cè)?50℃的情況下，保溫2個(gè)小時(shí)，再進(jìn)行回火1次時(shí)，基體組織中含有奧氏體剩余量處于較高水平，盡管合金碳化物的含量沒有到達(dá)峰值，但是高速鋼的硬度仍然處于較高水平，這表明使用該種方式進(jìn)行處理，合金碳化物體積和基體組織均未呈現(xiàn)明顯增大。在晶體析出的過程中，部分合金以碳化物的形式存在于基體中，這在異地狗程度上起到了彌散硬化的作；另一部分合金元素在基體中起固溶強(qiáng)化的作用，增強(qiáng)基體表面的硬度。

在淬火溫度為1220℃的情況下，溫度在對(duì)碳化物含量和基體硬度方面呈現(xiàn)出顯著的正向影響，為了確保集體的硬度達(dá)到極限，我們應(yīng)該選擇550℃的回火溫度，保溫時(shí)間在對(duì)碳化物含量和基體硬度方面呈現(xiàn)出顯著的正向影響，作用僅次于溫度；保溫次數(shù)是影響奧氏體剩余量的主要因素。所以，1220℃油淬的W2Mo9Cr4VCo8鉸刀最優(yōu)的處理方式實(shí)在550℃的情況下，保溫2個(gè)小時(shí)，再進(jìn)行回火3次。通過3次回火后奧氏體剩余量較少且析出的晶體體積小，硬度能夠達(dá)到66.5～67.5HRC，在綜合力學(xué)性能方面表現(xiàn)良好。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)W2Mo9Cr4VCo8鉸刀熱處理工藝進(jìn)行了探討，系統(tǒng)地分析了了高速鋼真空熱處理在淬火溫度、回火次數(shù)不同的情況下對(duì)組織和性能的影響，通過對(duì)比分析選取了適合于該類零件真空熱處理的最佳工藝參數(shù)。