季明浩，沈 劍 ，葉善培

(上海海事大學物流工程學院，上海 2 01306)

0 引言

當切削溫度達到600℃時，具有高熱硬性的高速鋼硬度仍保持在60 HRC以上，成為刀具鋼中的常用材料.其中:碳保證形成足夠量的碳化物;Cr提高淬透性;W和Mo提高熱硬性，在淬火后的回火過程中析出W和Mo的碳化物，以此產(chǎn)生2次硬化;V提高鋼的硬度和耐磨性.［1]

高速鋼組織中含有大量高硬度的碳化物，具有高耐磨性、高強度、高硬度和高表面精度的優(yōu)點.但因其熱處理工藝復雜，應用范圍僅限于刀具制造業(yè).近年來，在模具制造領(lǐng)域應用高速鋼有規(guī)?；厔?用高速鋼制造的冷沖模，其工作壽命比Cr12材料顯著提高.制造的部件加工精度高、一致性好，零件質(zhì)量可靠，適用于軍工和航天工業(yè).

殘余奧氏體含量對鋼材的硬度和耐磨性有重要影響.國內(nèi)外研究［2-12]表明:殘余奧氏體含量對材料性能有顯著影響.W18Cr4V為高速鋼的常用材料，但對其作為模具材料研究不多，因此研究、獲取W18Cr4V的熱處理工藝參數(shù)，并予以優(yōu)化，對加工此類材料有實用價值.模具產(chǎn)品制作過程中，以機加工和熱處理工序為主.因涉及工序面廣、工藝環(huán)節(jié)多、占用總的加工時間長，熱處理工藝周期約占整個產(chǎn)品制作過程的大部分.由于消耗大量電能，整件(套)產(chǎn)品的加工成本中熱處理占的比例相當高.

在總結(jié)以往工程實踐經(jīng)驗并研究W18Cr4V金相組織的基礎上，進行理論分析.運用改進后的熱處理工藝參數(shù)，適當降低淬火、回火溫度及回火次數(shù)，以減少能源消耗、縮短熱處理工藝時間，從而降低成本，獲得合適的機械加工經(jīng)濟精度［13].

1 材料表面硬度影響

不同的淬火和回火溫度，使W18Cr4V獲得不同數(shù)量的殘余奧氏體.為此，研究殘余奧氏體含量對W18Cr4V硬度和耐磨性的影響.

用W18Cr4V制作模具，通常采用以下工藝路線［14]:粗加工→半精加工→熱處理(淬火1 250～1 300℃ +回火550～570℃，3～4次)→精加工→成品.理論上，采用W18Cr4V制作模具，要經(jīng)過淬火和3～4次回火，淬火溫度1 250～1 300℃，回火溫度550～570℃，才能達到工藝要求.

1.1 熱處理工藝

W18Cr4V 的主要化學成分［1，15]見表 1.

表1 W18Cr4V的主要化學成分 %

利用鐵磁性法對殘余奧氏體含量進行測定，就是利用奧氏體無磁性、馬氏體強磁性、碳化物弱磁性的性質(zhì)，測定W18Cr4V中殘余奧氏體體積百分率.金相組織與表面硬度和粗糙度直接相關(guān).當材料組織發(fā)生變化時，硬度和粗糙度也相應改變.工程上，通過測量熱處理后的試樣硬度，可直觀研究熱處理溫度和殘余奧氏體含量與表面硬度和粗糙度的關(guān)系.

本文研究熱處理試驗設定的溫度，與W18Cr4V實際生產(chǎn)的產(chǎn)品一致，所得數(shù)據(jù)為W18Cr4V實際工藝參數(shù).熱處理用SX2-10-13型高溫箱式電阻加熱爐，溫度范圍0～1 600℃，控溫精度±3℃.加熱淬火溫度為工程中常設的溫度:1 050℃，1 100℃，1 150℃，1 200℃，1 250℃，再回火處理.

通常，設定高速鋼的回火溫度在550～570℃.對于模具等具有強度要求的產(chǎn)品，回火溫度在300～400℃的中低溫度區(qū)間內(nèi).為了驗證W18Cr4V在各回火溫度下的材料性能，將回火溫度設定為:200℃，350℃，450℃，570℃.

本文研究用W18Cr4V制作冷沖模的熱處理工藝參數(shù)，將理論工藝——1 250～1 300℃淬火和3～4次550～570℃回火，改進優(yōu)化為1 150℃淬火和1次300～400℃回火加1次570℃回火工藝，這樣可大大節(jié)省電能消耗、縮短制造周期.

傳統(tǒng)方法是通過金相顯微鏡對材料組織進行觀測判別材料性能，而工程上大多采用對其表面硬度和粗糙度檢測的方法，效果更加直觀.

用高速鋼材料制造模具，淬火后進行300～400℃回火.為了獲得堅韌穩(wěn)定的馬氏體組織，再進行1次570±10℃回火，進一步消除內(nèi)應力.

用HR-150DT型電動洛氏硬度計測硬度.每組3個試樣，每個試樣在精磨后平面上任取5點測量.測3組，共15個數(shù)據(jù)點，并計算平均值.圖1和2分別為熱處理前后硬度檢測試樣實物圖。

圖1 熱處理前

圖2 熱處理后

1.2 熱處理工藝參數(shù)對材料的影響

1.2.1 顯微組織

經(jīng)淬火和回火后，W18Cr4V的主要組織為馬氏體和奧氏體(圖 3 ).熱處理過程中，碳化物的類型、形態(tài)和分布無明顯變化.對于 W 18Cr4V，改變淬火加熱溫度和回火溫度，將使基體組織中馬氏體與奧氏體的相對數(shù)量在相當大的范圍內(nèi)變化，而殘余奧氏體含量對材料性能產(chǎn)生直接影響.

圖3 W18Cr4V典型顯微組織

1.2.2 淬火和回火溫度對殘余奧氏體含量的影響

熱處理基本不改變高速鋼碳化物相的類型和形態(tài)，對其數(shù)量的影響也十分有限，但對基體組織中馬氏體與殘余奧氏體的相對數(shù)量影響顯著.用鐵磁性法測量殘余奧氏體含量及其表面硬度結(jié)果見表2.

表2 W18Cr4V經(jīng)淬火和2次回火后殘余奧氏體含量及表面硬度實測值

測試原理:

式中:Ar為殘余奧氏體體積百分率;α0為測標樣時檢流計偏轉(zhuǎn)角;α為測被測樣塊時檢流計偏轉(zhuǎn)角.

根據(jù)淬火和回火溫度值，將殘余奧氏體實測值連接起來，制成等奧氏體曲線圖，見圖4.其中，實線為實測值，虛線為趨勢線，箭頭指向為殘余奧氏體含量增量方向.圖4中，各形狀符號代表不同含量的殘余奧氏體.由圖4可知:淬火和回火溫度對殘余奧氏體含量影響顯著.淬火溫度越高，殘余奧氏體含量越高;回火溫度升高，殘余奧氏體含量減少.即殘余奧氏體含量自右下角到左上角呈逐漸增加趨勢.

圖4 等奧氏體曲線

當淬火溫度較低時，奧氏體中溶解的碳及合金元素量較少，馬氏體轉(zhuǎn)變的終止溫度Mf較高，奧氏體穩(wěn)定性差，殘余奧氏體含量較少;當淬火溫度較高時，溶于奧氏體中的碳及合金元素量較多，奧氏體穩(wěn)定性提高，Mf降低，殘余奧氏體含量增加.

將表2中的數(shù)據(jù)進行歸納，得到圖5.

圖5 不同淬火溫度和2次回火后W18Cr4V表面硬度實測值

從圖5中可以看出，當淬火溫度達到1 150℃并經(jīng)過2次回火后，W18Cr4V的表面硬度均達到最大值.

1.3 殘余奧氏體對表面硬度的影響

W18Cr4V的基體組織主要為馬氏體和奧氏體.奧氏體韌性高，馬氏體韌性低.當鋼中奧氏體含量上升時，硬度呈遞減趨勢.當殘余奧氏體含量在30%～55%時，硬度達到峰值.原因是，當殘余奧氏體過多時，碳化物含量基本不變，硬度較高的馬氏體含量減少，三者綜合作用的結(jié)果導致硬度降低.反之，當殘余奧氏體過少時，要求回火溫度較高，部分馬氏體分解為滲碳體及硬度很低的鐵素體，從而使硬度降低.殘余奧氏體對表面硬度的影響見圖6.

圖6 殘余奧氏體對表面硬度的影響

根據(jù)加工經(jīng)驗，被加工材料越硬，其表面越耐磨.由圖6可知:表面硬度與殘余奧氏體含量成開口向下的二次曲線關(guān)系.當殘余奧氏體含量達到30% ～55%時，材料表面硬度高，有利于表面高精度形成;當殘余奧氏體過多或過少時，都會使材料磨損量增加，耐磨性下降.

這是由于奧氏體為韌性較好的相，磨粒在磨損過程中可以起到阻止裂紋擴展的作用.當鋼中殘余奧氏體含量過少時，磨損過程中裂紋一旦萌生即迅速擴展，使材料發(fā)生早期剝落、耐磨性較差.鋼中奧氏體含量過多時，硬度較低的奧氏體相無法有效阻止磨粒劃傷而不能保護高硬度碳化物耐磨相，導致磨損過程中碳化物在早期就剝落的情況較為突出，使得材料耐磨性變差、表面精度降低.

筆者在實際工程中發(fā)現(xiàn)，采用淬火(1 150℃)和1次回火(300～400℃)，再進行 1次回火(570℃)的熱處理方式，一方面可促進MC和M3C先析出，碳化物細化均勻，從而產(chǎn)生2次硬化，韌性得到提高;另一方面，由于300～400℃回火階段約有5%～7%的下貝氏體產(chǎn)生，下貝氏體位錯密度較回火馬氏體低，使碳化物長大及其基體再結(jié)晶困難，有利于紅硬性的提高，這樣模具的工作壽命得以提高.

文獻［15]認為，300～400℃回火時，高速鋼中的馬氏體含碳量降低，合金滲碳體從馬氏體中析出，殘余奧氏體不發(fā)生變化.

本次研究發(fā)現(xiàn):在450℃以下回火時，奧氏體難以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;當回火溫度提高至550℃時，殘余奧氏體含量變化不大;當回火溫度達到570℃后，馬氏體相變驅(qū)動力增加，回火過程中有較多的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，回火溫度繼續(xù)升高，馬氏體轉(zhuǎn)變更為充分，殘余奧氏體含量更少.

這說明經(jīng)低溫回火這項新工藝處理后，材料的綜合機械性能提高，在獲得高硬度的同時，仍然保持足夠的韌性，可提高產(chǎn)品壽命.也就是說，實際制作中，采用淬火(1 150℃)和2次回火(300～400℃ +570℃)能夠滿足工程的實際要求.

綜上所述，鋼中殘余奧氏體過多或過少均不利于材料硬度提高，殘余奧氏體含量在一定范圍內(nèi)方可獲得最佳耐磨性及硬度.

實驗證明:W18Cr4V合適的殘余奧氏體體積百分率為30% ～55%，恰是硬度達到峰值.

2 表面粗糙度

2.1 淬火和2次回火熱處理研究試驗

磨床型號:M1420.最大轉(zhuǎn)速:2 500 r/min.進給量:0.03 ～0.05 mm/r.

測量粗糙度時，通過觸針在被測表面直接測量讀數(shù)，得1個粗糙度值Ry.［16]共3個試樣，每個試樣取5個數(shù)據(jù)點.Ryavg為15個Ry的平均值.［17]

2.2 殘余奧氏體含量對Ryavg的影響

采用淬火和1次300～400℃回火加1次570℃回火熱處理工藝后，通過測量W18Cr4V表面粗糙度，可以判斷熱處理工藝參數(shù)對材料性能的影響，從而選取最佳熱處理工藝參數(shù).

2.3 粗糙度測量

采用JB-6C粗糙度顯微儀測量樣塊上的各數(shù)據(jù)點.所測樣塊的Ryavg見表3.由表3可知不同淬火溫度對W18Cr4V表面粗糙度的影響.將表中數(shù)據(jù)進行歸納，得到圖7.

表3 W18Cr4V經(jīng)淬火和2次回火后表面粗糙度實測值

圖7 W18Cr4V經(jīng)不同淬火溫度和2次回火后Ryavg實測值

通過圖5和7可以看出，采用1 150℃淬火和2次回火(300～400℃ +570℃)的新熱處理工藝，可得到穩(wěn)定的馬氏體組織，所獲試樣的表面硬度最高、表面粗糙度最低.

3 兩種熱處理工藝方案對比

3.1 W18Cr4V的理論工藝

理論上，對W18Cr4V的熱處理工藝為1 250～1 300℃淬火后進行3～4次550～570℃回火處理，以求消除殘余奧氏體，獲得穩(wěn)定的馬氏體組織，降低和消除熱處理時產(chǎn)生的內(nèi)應力.在此狀態(tài)下測量表面硬度和粗糙度，以獲得高的硬度、耐磨性和紅硬性，提高力學性能，滿足工程需要.為此，按照上述工藝，對試樣進行熱處理并測試其表面硬度和粗糙度.

3.2 淬火及3次回火熱處理研究試驗

表4為按理論工藝所獲得的表面硬度和粗糙度實測值.

表4 W18Cr4V經(jīng)淬火和3次回火(570℃)處理后的表面硬度和粗糙度實測值

將表4的數(shù)據(jù)進行歸納，得到圖8和9.

圖8 W18Cr4V經(jīng)各淬火溫度并3次回火(570℃)后各組硬度實測值

圖9 W18Cr4V經(jīng)各淬火溫度并3次回火(570℃)后各組粗糙度實測值

將表4中1和2組與4和5組進行對稱比較.由粗糙度值可見:淬火溫度在1 050～1 100℃和1 200～1 250℃時，通過各回火溫度所獲得的表面粗糙度值基本相似，即W18Cr4V在淬火溫度1 050℃，1 150℃和1 250℃時的表面粗糙度相差不明顯.根據(jù)機械加工經(jīng)濟精度原則，最佳的加熱淬火溫度在1 150℃.

新工藝和理論工藝得到的試樣表面硬度和粗糙度的比較見圖10和11.由圖可知，經(jīng)過3次回火獲得的加工效果與2次回火的表面硬度與表面粗糙度值變化不明顯.

圖10 W18Cr4V 2次回火和3次回火后硬度實測值比較

圖11 W18Cr4V 2次回火和3次回火后粗糙度實測值比較

3.3 熱處理時間比較

機加工與冷卻所用時間相同，主要差別在于熱處理時間，具體見表5(第1組方案采用新工藝，第2組采用理論工藝).第1組方案總共用時4.5 h，第2組方案總共用時7.5 h.顯然，第1組所用時間只占第2組的60%.

表5 新工藝與理論工藝熱處理時間比較 h

3.4 節(jié)能效果

改進后的工藝參數(shù)，淬火溫度由1 250℃改進為1 150℃，回火溫度由570℃(3次)，改進為300～400℃(1次)和570℃(1次).淬火電爐的加熱功率為5 kW，回火電爐的加熱功率為2.5 kW.新工藝與理論工藝熱處理能耗的比較見表6.

表6 新工藝與理論工藝熱處理能耗比較 kW·h

新工藝節(jié)約電能為

3.5 新工藝方案與理論工藝方案處理后模具性能比較

新工藝方案與理論工藝方案處理后模具性能的比較見表7.表中:方案1為1 150℃淬火，350℃ +570℃回火;方案2為1 250℃淬火，570℃回火3次.

表7 新工藝與理論工藝熱處理后性能比較

對比可見，新工藝和理論工藝方案對模具硬度、粗糙度的影響基本相當，說明改進的熱處理工藝能夠滿足要求.

筆者曾多次采用2次回火的優(yōu)化熱處理工藝設計和制造冷沖模，沖制的沖片用于軍用微特電機和小型電機零部件，獲得良好效果.

4 結(jié)論

(1)淬火加熱溫度和回火溫度對W18Cr4V殘余奧氏體含量有顯著影響.淬火加熱溫度升高，殘余奧氏體含量增多;回火溫度升高，殘余奧氏體含量減少.殘余奧氏體含量對W18Cr4V的硬度、耐磨性及表面粗糙度影響顯著，硬度與殘余奧氏體含量成開口向下的二次曲線形態(tài).殘余奧氏體含量達到30%～55%時，硬度達到峰值.殘余奧氏體過多或者過少，都會使材料耐磨性下降.

(2)用W18Cr4V制造冷沖模，在1 150℃淬火，300～400℃ +570℃回火時，試樣硬度最高、表面粗糙度最低.

(3)用新工藝方案獲得的冷沖模性能(硬度、粗糙度)能滿足工程實際要求.

(4)新工藝熱處理時間減少40%，節(jié)約電能35%以上.

［1]于永泗，齊民.機械工程材料［M].大連:大連理工大學出版社，2004:112-113.

［2]SANO Y，HATTORI T，HAGA M.Characteristics of high-carbon high-speed steel rolls for hot strip mill［J].ISIJ Int，1992，32(11):1194-1201.

［3]HWANG Keun Chul，LEE Sunghak，LEE Hui Choon.Effects of alloying elements on microstructure and fracture properties of cast high-speed steel rolls part I:microstructural analysis［J].Mat Sci and Eng:A，1998，254(1/2):282-295.

［4]徐流杰，魏世忠，龍銳，等.高釩高速鋼的磨粒磨損行為研究［J].礦山機械，2003(11):77-79.

［5]GOTO T，MATSUDA Y，SAKAMOTO K，et al.Basic characteristics and microstructure of high-carbon high-speed steel rolls for hot rolling mill［J].ISIJ Int，1992，32(11):1184-1189.

［6]于新泉.復合軋輥用高速鋼顯微組織及性能的研究［D].鄭州:鄭州大學，2002.

［7]龍銳，魏世忠，劉亞民，等.高釩高耐磨合金的組織與性能［J].礦山機械，2001(12):54-56.

［8]徐流杰，魏世忠，龍銳，等.高釩高速鋼中碳化釩的形態(tài)分布研究［J].鑄造，2003，52(11):1069-1073.

［9]BARRY J，BYRNE G.TEM study on the surface white layer in two turned hardened steels［J].Mat Sci and Eng:A，2002，325(1/2):356-64.

［10]PEREPLETCHIKOV E F，RYABTSEV I A ，VASIL′EV V G，et al.Structure and properties of high-carbon high-vanadium iron-base alloys for surfacing［J].Metal Sci and Heat Treatment，2003，45(5/6):193-196.

［11]FALLB?HMER P，RODRIíGUEZ C A，?ZEL T，et al.High-speed machining of cast iron and alloy steels for die and mold manufacturing［J].J Mat Processing Technology，2000，98(1):104-115.

［12]KWOK C T，CHENG F T，MAN H C.Microstructure and corrosion behavior of laser surface-melted high-speed steels［J].Surf＆ Coatings Technology，2007，202(2):336-348.

［13]翁世修，吳振華.機械制造技術(shù)基礎［M].上海:上海交通大學出版社，2002:224.

［14]沈蓮.機械工程材料［M].北京:機械工業(yè)出版社，1999:132.

［15]郭耕三.高速鋼及其熱處理［M].北京:機械工業(yè)出版社，1985:194.

［16]孔慶華，劉傳邵.極限配合與測量技術(shù)基礎［M].上海:同濟大學出版社，2002:58-80.

［17]GB/T 131-2006，產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)技術(shù)產(chǎn)品文獻中表面結(jié)構(gòu)的表示法［S].