熱處理工藝對W2Mo9Cr4VCo8高速鋼硬度和組織的影響

王鑫，李錚，康風波，李檢貴，葉健熠

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號M42)是超硬型高鈷韌性高速鋼，該鋼具有高的硬度和紅硬性，同時回火穩定性及耐磨性也非常好，易于機加工，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。為適應某型號軸承高硬度(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。對軸承零件的熱處理工藝進行了詳細試驗研究，闡述了熱處理工藝對該高速鋼硬度和組織的影響。

1 試樣制備

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

表1 W2Mo9Cr4VCo8鋼的化學成分 w，﹪

表2 W2Mo9Cr4VCo8鋼的冶金質量

2 熱處理工藝試驗及分析

2.1 工藝試驗方案

淬火試驗在WZC-45真空淬火爐內進行，淬火溫度選用1 150，1 165，1 180，1 200和1 220 ℃共5種。為減小加熱過程中試樣內外溫度差和加熱時產生的內應力，淬火前對試樣進行預熱，預熱溫度為850 ℃，預熱時間為20 min。5種淬火溫度的加熱時間均為12 min，采用油冷卻方式，冷卻15 min后分別進行常溫和-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 ℃下進行回火，回火時間均為1.5 h，回火3次，熱處理試驗工藝曲線如圖1所示。

圖1 熱處理試驗工藝曲線

2.2 淬火溫度對硬度和組織的影響

不同淬火溫度下對試樣進行淬火試驗，淬火后用洛氏硬度計測量試樣硬度(3點均值)；對試樣進行磨制、拋光，用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，金相顯微鏡觀察試樣淬火晶粒度，依據JB/T 11087—2011《滾動軸承 鎢系高溫軸承鋼零件 熱處理技術條件》對試樣淬火組織晶粒度進行評定；測量試樣的殘余奧氏體含量，結果見表3。

表3 不同淬火溫度下試樣的硬度和組織測量結果

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，這是因為隨著淬火溫度的提高，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，這時鋼的硬度理應增加，但是奧氏體向馬氏體的轉變溫度點(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。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 ℃時淬火晶粒度開始出現明顯長大，出現晶界熔化、過燒等現象。

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、回火對硬度和回火組織的影響

不同冷處理和回火溫度下對試樣進行回火試驗，回火后用維氏硬度計測量試樣硬度(3點均值，并換算為洛氏硬度)；對試樣進行磨制、拋光，然后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，依據JB/T 11087—2011對試樣回火組織進行檢驗，結果見表4。

由表3、表4可知，不同溫度的淬火試樣，經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別也相應提高，與淬火組織級別基本對應(圖3)，1 220 ℃淬火試樣回火組織大于4級，出現過燒組織。3種不同冷處理工藝的試樣，經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 ℃開始轉變為回火馬氏體，到300 ℃時殘余奧氏體分解基本結束，但W2Mo9Cr4VCo8高速鋼基體中固溶有大量合金元素，使過冷奧氏體等溫轉變C曲線右移，降低了馬氏體轉變溫度，增加了過冷奧氏體的穩定性，使得淬火高速鋼中有大量的殘余奧氏體，需要進行回火消除。

不同淬火溫度、冷處理條件、回火條件下，經過3次高溫回火后，用X射線衍射儀對W2Mo9Cr4VCo8試樣的殘余奧氏體含量進行測量，發現試樣殘余奧氏體含量為零，說明3次高溫回火能夠完全消除殘余奧氏體。

2.5 熱處理工藝優化

通過對該鋼的熱處理試驗及結果分析，優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，殘余奧氏體為零，符合該軸承對其性能的設計要求。

3 結論

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

(2)W2Mo9Cr4VCo8鋼在1 150～1 220 ℃溫度區間淬火，520～550 ℃溫度區間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程中大量分解轉變為馬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 ℃淬火后晶界出現了燒熔現象，為過燒組織。

(4)在3種不同的冷處理工藝下處理的試樣，經同一回火溫度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，因此可以不必進行冷處理。