高速钢降温淬火、回火工艺研究

来源:上海市机械制造工艺研究所有限公作者:王琦

研究了W6Mo5Cr4V2高速钢的降温淬火工艺,结果表明:当奥氏体化温度由1200℃降低到1160℃时,晶粒度级别从11.5级细化至12级。当W6Mo5Cr4V2高速钢采用350℃×1h+560℃×1h回火时,能够获得比常规回火更佳的强韧性配合。

高速钢是高碳、高合金冷作模具钢。常规淬火温度下加热时,由于合金碳化物的溶解,基体中的含碳量和合金元素的含量较高,强度和硬度很高,但是韧性不足,使用中容易发生脆断而早期失效。既要提高材料的强度,又要提高材料的韧性,细化晶粒是唯一的途径。对于高速钢和高碳、高合金冷作模具钢可以通过适当降低淬火温度来减少脆性开裂的倾向。因为降低了淬火温度,一方面能够控制M6C、MC型碳化物溶入基体,使奥氏体中的平均含碳量降低,导致Ms点上升,淬火后的孪晶马氏体数量减少,获得以板条马氏体为主的淬火组织,从而提高了钢的韧性;另一方面,由于淬火温度降低,奥氏体晶粒度得到细化,也有利于韧性的提高。另外,采用分级回火工艺(高温回火时增加350℃的分级处理),可以使高速钢先析出均匀弥散分布的渗碳体质点,能够促进随后高温回火时M2C型合金碳化物的析出,并使沿孪晶界析出的碳化物更弥散。因此,分级回火能使高速钢的二次硬化效应更为显著,使红硬性得到提高,并由于沿孪晶界的裂纹萌生和扩展困难,也有利于韧性的改善。

1、试验材料及方法

试验用W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)高速钢的化学成份如表1所示。试验用试样为退火态。冲击试验用10mm×10mm×55mm的U型缺口试样,缺口底部的高度为8mm;硬度及金相试样的尺寸为10mm×10mm×5mm;耐磨试样的尺寸为31mm×10mm小止推环试样;红硬性试样的尺寸为15mm×15mm×15mm。

表1 W6Mo5Cr4V2高速钢化学成份(质量分数,﹪)

W6Mo5Cr4V2高速钢化学成份

在NikonEP1PHOT300上观察金相组织;在ZCB2302-D冲击试验机上进行冲击试验;在HRS-150数显洛氏硬度计上测量硬度。

高速钢属于高碳高合金钢,淬火温度比较高,为了防止晶粒粗大,我们选择在高温区采用两段加热的方式,避免在奥氏体化温度保温过长时间。具体的淬火工艺见图1。奥氏体化温度分别为1160、1180和1200℃。

W6Mo5Cr4V2高速钢真空淬火工艺

图1 W6Mo5Cr4V2高速钢真空淬火工艺

高速钢回火的目的是通过合金碳化物的弥散析出,以及残余奥氏体的充分转变获得稳定的组织。回火工艺是高速钢获得较高红硬性、耐磨性以及强韧性的关键所在。国外文献推荐的回火工艺普遍倾向于采用两次回火法。分级回火也被国内一些工厂用来代替常规的三次回火工艺。因此,在确定回火试验方案前,先比较了W6Mo5Cr4V2高速钢分级回火与常规回火的耐磨性和红硬性。实验结果表明,分级回火后的W6Mo5Cr4V26高速钢的耐磨性和红硬性较常规回火要好。W6Mo5Cr4V26高速钢的试验工艺方案见表2。

表2 W6Mo5Cr4V2高速钢热处理试验方案

W6Mo5Cr4V2高速钢热处理试验方案

2、试验结果及分析

2.1、金相组织分析

2.1.1、淬火组织

W6Mo5Cr4V2高速钢经淬火处理后,进行奥氏体晶粒度检测,金相组织照片如图2所示。结果表明,奥氏体化温度为1200和1180℃时,晶粒度为11.5级;奥氏体化温度为1160℃时,晶粒度为12级。降低淬火温度使奥氏体晶粒得到细化。

W6Mo5Cr4V2高速钢在不同淬火温度下的显微组织

图2 W6Mo5Cr4V2高速钢在不同淬火温度下的显微组织

(a)1200℃;(b)1180℃;(c)1160℃

2.1.2、回火组织

图3是W6Mo5Cr4V2高速钢经1200℃淬火,第一次回火后的金相组织。图3(a)第一次分级回火工艺为350℃×1h+560℃×1h,图3(b)第一次回火工艺为560℃×2h。可以看出,经过分级回火后W6Mo5Cr4V2高速钢具有更多的均匀分布的渗碳体质点。

W6Mo5Cr4V2高速钢经第一次回火后的显微组织

图3 W6Mo5Cr4V2高速钢经第一次回火后的显微组织

(a)350℃×1h+560℃×1h;(b)560℃×2h

2.2、回火方式对高速钢性能的影响

红硬性是指材料在经过一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力,是高速钢的一项重要特性。高速钢红硬性试验是在回火结束后,再进行600℃×4h的回火,随后测试硬度,硬度值越高红硬性越好。表3为W6Mo5Cr4V2高速钢经1200℃淬火,不同的回火方式后的性能测试结果。从表3的试验结果可以看出,分级回火较常规回火可以使W6Mo5Cr4V2高速钢具有更佳的性能。这是因为,高温回火时增加350℃的分级处理,使高速钢先析出均匀弥散分布的渗碳体质点,能够促进随后高温回火时M2C型合金碳化物的析出(见图3)。正是这些弥散、细小分布的碳化物使得分级回火的高速钢比常规回火的高速钢具有更高的硬度、红硬性和更优的耐磨性。

表3 回火方式对W6Mo5Cr4V2高速钢性能的影响

回火方式对W6Mo5Cr4V2高速钢性能的影响

2.3、淬火、回火工艺对高速钢性能的影响

表4是W6Mo5Cr4V2高速钢经不同淬火和回火工艺后的试验结果。可以看出,当奥氏体化温度降低到1160℃时,晶粒度级别从11.5级细化至12级;硬度略有下降;冲击吸收功略有提高。相同的奥氏体化温度下,采用分级回火的W6Mo5Cr4V2高速钢比常规回火的高速钢具有更好的强韧性配合。

表4 W6Mo5Cr4V2高速钢在不同淬火回火工艺下的试验结果

W6Mo5Cr4V2高速钢在不同淬火回火工艺下的试验结果

3、结论

(1)当奥氏体化温度由1200℃降低到1160℃时,晶粒度得到细化,晶粒度级别从11.5级细化至12级。随着奥氏体化温度的降低,W6Mo5Cr4V2高速钢的硬度略有下降,冲击吸收功略有提高。

(2)W6Mo5Cr4V2高速钢采用350℃×1h+560℃×1h回火时,能够使高速钢先析出均匀弥散分布的渗碳体质点,促进随后高温回火时M2C型合金碳化物的析出。相同的奥氏体化温度下,采用分级回火的W6Mo5Cr4V2高速钢比常规回火的高速钢具有更好的强韧性配合。