電脈沖處理對W6Mo5Cr4V2高速鋼的影響

鄒　磊，武　穎，岑啟宏，2

(1 昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093；2 固體廢棄物資源化國家工程研究中心，昆明 650033)

?

電脈沖處理對W6Mo5Cr4V2高速鋼的影響

鄒磊1，武穎1，岑啟宏1，2

(1 昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093；2 固體廢棄物資源化國家工程研究中心，昆明 650033)

研究電脈沖處理對鑄態W6Mo5Cr4V2高速鋼組織的影響及其機理，利用光學顯微鏡、XRD和EDS觀察成分和微觀組織的變化。結果表明：鑄態高速鋼的微觀組織主要由MC,M2C和M7C3碳化物和馬氏體、奧氏體、珠光體混合組成，碳化物在晶界處呈連續的網狀分布，存在部分魚骨狀共晶碳化物；經過脈沖電流處理后，碳化物的物相種類未發生變化，但形態上由網狀趨向于斷裂，有明顯的孤立和球化趨勢，魚骨狀共晶碳化物消失，同時，碳化物含量減少，而基體中合金元素含量增加，基體的硬度提高。焦耳熱和電磁力偶合物理效應是造成這些現象的主要機理。

脈沖電流；高速鋼；碳化物；硬度

高速鋼是當今世界刀具鋼領域運用最廣泛的金屬材料之一。面臨全球資源問題以及行業成本問題，高速鋼研究者力爭用最有效最經濟的手段去提高其性能。作為常規工藝，稀土變質處理能夠有效地消除高速鋼中的網狀硬質相結構，提高高速鋼的力學性能，工業中制備高速鋼的熱處理工序也能很好地消除網狀硬質相，然而這些復雜的加工工藝使其成本大幅度提高，所以有必要去尋求簡單有效的加工工藝。

近年來，電脈沖處理作為一種改善材料組織和性能的新技術，具有清潔、高效且成本低廉的優點備受材料工作者的重視[1-3]。以往的研究表明，電脈沖處理技術作為一種金屬材料處理技術，可以控制金屬材料的凝固組織，細化晶粒，促進金屬材料的位錯和空位的形成與運動提高元素的擴散能力，促進金屬材料中硬質相的均勻分布，還可以改善固體材料塑性加工、疲勞壽命、非晶納米化和金屬再結晶性能[4-9]。本工作對W6Mo5Cr4V2高速鋼施加電脈沖處理，以期達到改善其組織和性能的目的，重點研究電脈沖處理對W6Mo5Cr4V2高速鋼組織的影響及作用機理。

1　實驗材料與方法

熔煉采用中頻感應熔煉爐，爐料為高速工具鋼，鋼液溫度升至1500℃時，經0.15%(質量分數)的鋁一次脫氧后，加入釩鐵、鎢鐵、鉻鐵和廢鋼等。待鋼水溫度升至1550～1600℃時，扒渣并插鋁二次脫氧，砂型澆鑄為φ180mm×180mm的圓棒狀試樣，澆注溫度為1500℃，用線切割機切割成8mm×8mm×180mm的試樣。測得試樣的化學成分如表1所示。

測出W6Mo5Cr4V2高速鋼的DSC曲線，再結合Fe-W-Cr-V系變溫截面圖分析判斷出該高速鋼材料的液相線溫度為1480.0℃，固相線溫度為1295.6℃。實驗所用的脈沖電源峰值電壓為1600V、重復工作最高頻率為50Hz、脈沖寬度最大為100μs。取兩組試樣分別編號1和2，2組試樣在管式爐中緩慢加熱到1220℃，保溫10min后施加電脈沖3min，然后水淬。實驗裝置如圖1所示，實驗參數如表2所示，電壓1400V，頻率30Hz，脈寬50μs,時間3min。作為對比實驗，1組試樣也接好電極放入管式爐中進行同樣的加熱和冷卻過程，但不施加電脈沖。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of experiment setup

表2　實驗參數

2　結果與分析

2.1顯微組織分析

圖2(a)為未施加電脈沖試樣的微觀組織，晶界處分布著連續的網狀碳化物，晶界處有少量魚骨狀共晶碳化物。圖2(b)為施加電脈沖的微觀組織，網狀碳化物趨向于斷裂，有明顯的孤立和球化趨勢，魚骨狀共晶碳化物消失，碳化物的分布趨于均勻化。

在每組微觀組織上選取6個不同區域，利用Image-J軟件計算各區域的碳化物體積分數，最后求各組平均值，結果顯示，未施加電脈沖處理的高速鋼中碳化物的體積分數為13%，施加電脈沖處理的高速鋼中碳化物的體積分數降低到8%，電脈沖處理使高速鋼中碳化物的含量減少。

2.2物相分析

圖3為W6Mo5Cr4V2高速鋼X射線衍射圖。由圖3可知，未施加電脈沖的高速鋼中硬質相為MC，M2C和M7C3碳化物，電脈沖處理后高速鋼中硬質相也為MC，M2C和M7C3碳化物，說明電脈沖處理對高速鋼中碳化物的物相種類沒有影響。利用EDS測出基體中W，Cr，Mo，V合金元素的含量，選取10個不同位置并計算其平均含量如表3所示。圖3(a)為未經電脈沖處理的高速鋼基體中合金元素的平均含量以及總量，圖3(b)為經電脈沖處理的高速鋼基體中合金元素的平均含量以及總量，經電脈沖處理后，W6Mo5Cr4V2高速鋼基體中4種合金元素的含量都有不同程度的提高，合金元素的總量從10.26%提高到11.51%。消失的硬質相中合金元素溶入基體，使得基體合金元素總含量升高。利用顯微硬度計在每個試樣基體上選取10個不同點測其顯微硬度，然后求平均值。結果顯示，未施加電脈沖的高速鋼基體顯微硬度為HV456，電脈沖處理后高速鋼基體硬度為HV568，電脈沖處理提高W6Mo5Cr4V2高速鋼基體的硬度。

圖3　X射線衍射圖　(a)未施加電脈沖；(b)施加電脈沖Fig.3　X-ray diffraction patterns　(a)untreated by electric current pulse；(b)treated by electric current pulse

NoCrMoVWTotal14.282.151.572.2610.2624.502.431.742.8411.51

2.3機理分析

W6Mo5Cr4V2高速鋼在凝固過程中發生以下反應：初生奧氏體的第一次分解是在高速鋼的凝固階段。因為V,W,Cr,Mo和C元素在奧氏體中的分配系數小于1，因此C和合金元素會從奧氏體中排出，并且奧氏體開始長大，V的分配系數最小，被排出的V元素的量最多，因此在液相組成中V首先到達共晶成分。在殘余液相中發生共晶反應生成奧氏體+MC共晶產物沿著初生奧氏體析出，伴隨著殘余液相中奧氏體+MC反應的進行，殘余液相中奧氏體的含量逐步減少，W和Mo的含量在增加。當W+2Mo的含量達到33.5%時，共晶反應奧氏體+M2C開始進行，隨著共晶反應奧氏體+M2C的進行，殘余液相中W和Mo的含量減少，Cr的含量增加，當Cr的含量接近20%時，有著豐富Cr元素的殘余液相開始發生共晶反應生成奧氏體+M7C3[10]。

W6Mo5Cr4V2高速鋼是一種亞共晶結構鋼，這些共晶結構主要是網狀分布于晶界處的，并且W6Mo5Cr4V2高速鋼的微觀結構是粗大的。因為冷卻速率比較快，所以高速鋼的基體主要是馬氏體、奧氏體和珠光體。通過XRD分析，W6Mo5Cr4V2高速鋼中的碳化物是MC，M2C和M7C3。W6Mo5Cr4V2高速鋼中的V元素主要分布在MC中，W和Mo元素主要分布在M2C中，Cr元素主要分布在M2C和M7C3中。

電脈沖在處理材料的過程中，存在大量有一定漂移速率的電子流與原子之間的沖擊力，通常與這種電子流運動相關的Joule熱能將被引入到材料中。高速鋼加熱到1220℃，保溫10min后，經脈沖電流處理3min。脈沖電流在通過金屬體時，由于Joule熱效應，金屬體迅速升溫[11]。

(1)

式中：J為電流密度峰值，A/m2；ρe為材料的電阻率，Ω·m；t為施加脈沖電流的時間，s；ρ為材料的密度，kg/m3；Cp為材料的比熱，J/(kg/℃)；d為脈沖電源的占空比。

(2)

其中電阻率為材料在513℃時測得的，隨著溫度的升高材料的電阻率逐漸升高，當材料溫度達到1220℃時，材料的電阻率遠遠大于0.81×10-6Ω·m，因此，材料的實際升溫ΔT也將遠遠大于18.2℃。由于晶界處界面能最高，所以晶界處最先開始熔化。金屬體升溫后高速鋼中的MC，M2C和M7C3碳化物熔化量隨著溫度的升高而逐漸增加，M7C3碳化物形成溫度最低，將最先溶化，排出大量的Cr元素，M2C碳化物的形成溫度次之，隨著溫度的進一步升高將開始熔化，排出大量的W和Mo元素，最先形成的MC碳化物的熔化溫度最高，最后熔化，排出一定量的V元素。

電脈沖誘發的能量將促進原子的遷移，原子的擴散系數D[12]:

(3)

式中：D0為擴散常數；ΔG為擴散激活能；k為玻爾茲曼常數；T為材料的溫度；施加脈沖電流將會改變擴散激活能，ΔE為擴散激活能的變化量。因為ΔE小于0，擴散激活能降低，擴散系數增加，熔化的碳化物排出的V，W，Mo和Cr合金元素有一部分擴散至基體中。

電脈沖在材料體中產生電磁力，材料單位面積上的最大電磁力F[13]:

(4)

式中：μ0為真空電導率，4π×10-7H/m；I為通過試樣的平均電流，945A；a為試樣的有效半徑，4.5×10-3m。計算結果

(5)

電脈沖在材料中產生的電磁力將不斷作用材料內部，高溫時碳化物的硬度較室溫時低很多。圖4為W6Mo5Cr4V2高速鋼的微觀組織圖。由圖4可知，未施加脈沖電流的試樣中連續的網狀碳化物相連處比較細小，魚骨狀共晶碳化物層片非常薄，在強大的電磁力不斷的作用下，這些薄弱區很容易斷裂，形成孤立的片狀碳化物。1220℃施加電脈沖，再加上焦耳熱的影響，材料將處于固液共存狀態。電脈沖在材料體中產生的電磁力在材料處于固液共存狀態時受到的阻力最小，作用效果最大，網狀碳化物進一步被電磁力打斷。由于固相的電導率高于液相的電導率，所以電流優先選擇固相為通道。電流通過未熔的片狀碳化物時，由于電流的焦耳熱效應，片狀碳化物將會延邊角逐漸熔化而趨于圓整，排出的合金元素將會擴散至基體中，未熔化完全的共晶碳化物將繼續處在晶界處，稱之為殘余碳化物。

圖4　W6Mo5Cr4V2高速鋼的微觀組織　(a)未施加電脈沖；(b)施加電脈沖Fig.4　Microstructure of W6Mo5Cr4V2 high speed steel(a)untreated by electric current pulse；(b)treated by electric current pulse

電脈沖處理3min后切斷電源，然后水淬處理。由式(3)可知電脈沖對原子擴散能力有很大的提高，水淬過程的初始階段雖然降溫很快，但是試樣中原子的擴散能力并未完全消失，相比較未施加電脈沖的試樣水淬過程，其擴散能力還是非常高的。碳化物的形成會優先以殘余共晶碳化物為晶核異質形核長大，在相距較遠的殘余碳化物之間的液相則會出現勻質形核，勻質形核和異質形核的晶粒長大后都是圓整且孤立的存在于晶界處，如圖4(b)所示。在形核長大的過程中，電脈沖將在熔體中產生電遷移效應，使晶界處的液相開始流動，施加電脈沖的液態金屬的流動將導致凝固過程中固液界面前沿溶質分布發生變化，從而影響分配系數k0的變化[14]，k0的變化將對凝固組織產生很大影響，從而抑制了合金元素從初生奧氏體中排出，導致最終形成的共晶碳化物體積分數降低，基體中的合金元素含量增加；電脈沖誘發的能量可以導致基體內部原有的位錯和位錯群能量增加，從而促使位錯和位錯群運動，導致位錯的塞積和位錯組態的形成[15]，從而提高了基體的硬度。

電脈沖處理后，高速鋼中碳化物的形貌由沿晶界析出的網狀轉變成圓整孤立的球狀。因為網狀碳化物把基體割裂比較嚴重，所以會導致試樣的力學性能非常差；當受到外界變形力時，試樣內的由形變引發的位錯可以通過碳化物的間隙穿過晶界，從而將會提高材料的力學性能。

3　結論

(1)電脈沖處理使高速鋼組織中網狀碳化物趨向于斷裂，有明顯的孤立和球化趨勢，魚骨狀共晶碳化物消失。其作用機理主要是電脈沖在材料中產生的焦耳熱和電磁力偶合物理效應。

(2)高速鋼經過電脈沖處理后，顯微組織中的碳化物種類未發生變化，但碳化物含量減少，而基體中合金元素含量增加，固溶更多的合金元素使基體硬度從HV456提高到HV568。

[1]LI F, REGEL L L, WILCOX W R. The influence of electric current pulses on the microstructure of the MnBi/Bi eutectic[J]. Journal of Crystal Growth, 2001,223(1):251-264.

[2]BASMAK J P, SPRECHER A F, CONRAD H. Colony(grain) size reduction of eutectic Pb-Sn castings by electropulsing[J]. Scr Metall Mater,1995,32(6):879-884.

[3]LIAO X, ZHAI Q, LUO J, et al. Refining mechanism of the electric current pulse on the solidification structure of pure aluminum[J]. Acta Materialia, 2007,55(9):3103-3109.

[4]呂然超,袁守謙,曹余良,等.金屬材料應用電脈沖處理技術的研究現狀[J].熱加工工藝,2009, (6):52-56.

LV Ran-chao, YUAN Shou-qian, CAO Yu-liang, et al. Research status on applying electric pulsing treatment in metallic materials[J].Material & Heat Treatment,2009, (6):52-56.

[5]楊世洲,李寧,文玉華.電脈沖處理對固溶態Fe14Mn6Si8Cr5Ni合金形狀記憶效應的影響[J].四川大學學報:工程科學版,2010，(2):232-236.

YANG Shi-zhou, LI Ning, WEN Yu-hua. Effect of electropulsing treatment on the shape memory effect of Fe14Mn6Si8Cr5Ni solid solution alloy[J].Journal of Sichuan University,2010，(2):

232-236.

[6]嚴軍,岑啟宏,蔣業華,等.高硼中碳合金鋼的鑄態組織[J].材料工程,2013，(6):55-58.

YAN Jun, CEN Qi-hong, JIANG Ye-hua, et al. As-cast microstructure of high-boron middle-carbon alloy tool steel[J].Journal of Materials Engineering,2013，(6):55-58.

[7]占春禮,遲宏宵,馬黨參,等.電渣重熔連續定向凝固M2高速鋼鑄態組織的研究[J].材料工程,2013，(7):29-58.

ZHAN Chun-li, CHI Hong-xiao, MA Dang-shen, et al. The as-cast microstructure of ESR-CDS M2 high speed steel [J].Journal of Materials Engineering,2013，(7):29-58.

[8]李秋炎,岑啟宏,蔣業華,等.電脈沖對高硼中碳合金鋼凝固組織的影響[J].特種鑄造及有色合金,2012,32(12):1095-1098.

LI Qiu-yan, CEN Qi-hong, JIANG Ye-hua, et al. Effects of electric pulse on solidification structure of high-boron middle-carbon alloy steel[J].Special Casting and Nonferrous Alloys, 2012,32(12):1095-1098.

[9]CONRAD H,KARAM N,MANNAN S L.Effect of electric current pulse on therecrystallization of copper[J]. Script Metall, 1983, 17: 411-416.

[10]CEN Q H, JIANG Z Q, FU H G. Effect of Ti addition on the microstructure and properties of a high speed steel roll[J]. Materials Testing,2013,55(11-12):871-876.

[11]PARASNIS A S. Dislocations in solids[J]. Acta Crystallographica Section A: Foundations of Crystallography, 1989,45(7):499-500.

[12]YANG S Z, LI N, WEN Y H. Effects of ageing with electric pulse treatment on shape memory and precipitation of Cr23C6carbide in a pre-deformed Fe-Mn-Cr-Ni-C alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2013,42(2):0238

[13]秦榮山.脈沖電流作用下的非平衡轉變研究[D]. 沈陽： 中科院沈陽金屬研究所,1996.

[14]LANDDING A, KLENM A. Die effective in flussigen metal beider isotopenuberfuhrung[J]. Z Naturforsehung, 1962,(Suppl 1):71-85.

[15]張偉,隋曼齡,周亦胄.高密度電脈沖下材料微觀結構的演變[J].金屬學報,2003,39(10):1009-1018.

ZHANG Wei, SUI Man-ling, ZHOU Yi-zhou. Evolution of microstructures in materials induced by electropulsing[J]. Acta Metallurgica Sinica,2003,39(10):1009-1018.

Influence of Electric Current Pulse Treatment on W6Mo5Cr4V2 High Speed Steel

ZOU Lei1,WU Ying1,CEN Qi-hong1,2

(1 School of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China；2 National Engineering Research Center of Waste Resource Recovery,Kunming 650033,China)

The influence and mechanism of electric current pulse on the cast W6Mo5Cr4V2 high speed steel microstructure were studied. The changes of its composition and microstructure were observed by using optical microscopy, X-ray diffraction(XRD) and energy spectrum analysis(EDS). The results show that the microstructure of the cast HSS is mainly composed ofMC,M2C andM7C3eutectic carbides, martensite, austenite and pearlite. The carbides exhibit continuous network distribution along grain boundaries, and there are some herringbone-like eutectic carbides. After being treated by the electric current pulse，the carbides have no change, but appear differently, from the network carbide tending to fracture, and with obvious trend of isolation and spheroidizing, the herringbone-like eutectic carbides disappear, meanwhile, the content of the carbide decreases, the content of the alloy elements in the matrix increases, the hardness of the matrix is improved. Joule heat and electromagnetic force coupling physical effect are the main mechanism of these phenomena.

pulse current；high speed steel；carbide；hardness

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.004

TG142

A

1001-4381(2016)02-0023-05

國家自然科學基金面上項目(51171073)；高等學校博士學科點專項科研基金(20115314120002)

2014-06-13;

2015-07-30

岑啟宏(1976-)，男，副教授，主要從事耐磨材料的研究，聯系地址:云南省昆明市五華區學府路298號(650033)，E-mail:qhcen@126.com