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真空热处理对超硬高速钢M2Al组织性能的影响

摘要:M2Al 是一种无钴超硬高速钢，真空加热促进异常晶粒长大。充入惰性气体施行真空加热可以提高加热速度，阻碍异常大晶粒的形成，提高M2Al钢的强韧性。影响 M2Al钢强韧性的最主要因素不是混晶和奥氏体晶粒度的大小，而是钢中碳化物的形态和分布。为了发挥M2Al钢的超硬性，可以提高真空淬火温度，使其硬度达66HRC以上。
关键词：M2Al钢　真空热处理　组织　性能
Effect of Vacuum Heat Treating on Microstructure and Properties of M2Al Superhard High Speed Steel
Zhou Tihe(Institute of Materials Science and Engineering，
Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083)
Ma Sujuan（Beijing Research Institute of Power Metallurgy，Beijing 100072）
【Abstract】 M2Al is a Cobalt free superhard high speed steel．Vacuum heating promotes the growth of abnormal grains．But vacuum heating with inert gas can improve the heating speed and prevent forming abnormal huge grains，so the strength and toughness of M2Al steel is increased．The most important factor which affects the strength and toughness of M2Al steel is neither mix-grains nor austenite grain-size，but the morphology and distribution of carbide in the steel．Superhardness（≥66HRC）can be obtained by increasing vacuum quenching temperature．
Key words：M2Al steel，vacuum heat treating，microstructure，property
1　前言
　　W6Mo5Cr4V2Al（M2Al）钢［1］是我国在七五期间研制的无钴超硬高速钢，它具有良好的磨削性能，但长期以来存在混晶问题。出现混晶时，材料的韧性、弯曲强度明显下降。多年来，人们对 M2Al钢的研究都是在盐浴分级淬火条件下进行的，真空热处理对M2Al钢的组织、性能影响如何，这方面的报道较少。本文将探讨在真空油淬状态下热处理工艺对M2Al钢组织、性能的影响，并和盐浴分级淬火进行比较，为实际生产提供技术依据。
2　材料和试验方法
2．1　材料
　　试验用材料是由某特殊钢厂提供的，其化学成分列于表1。将提供的32mm×32mm坯料锻成12mm×12mm方形棒材。由于M2Al钢在870℃退火比在920℃退火混晶还严重，将试样放入密闭容器中，填充碳粉和铸铁粉，在930℃球化退火。
表1　M2Al钢的化学成分(质量分数)w（％）
C
W
Mo
Cr
V
Al
1．00
5．88
5．10
3．86
1．87
1．02

2．2　试验方法
　　淬火采用真空油淬和盐浴分级淬火。X1是850℃预热1050℃预热T真空油淬；X2是850℃预热1050℃预热T真空油淬，工件入炉后，抽真空至2.3Pa后，再充入6.1×104Pa压力的惰性气体；X3是850℃预热T盐浴600℃分级淬火（T取值1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1245℃）。根据Al在高速钢中的作用，试样淬火后都采用560℃×4次回火［2］。试样的热处理工艺如表2所示。冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm，采用无缺口标准试样，使用MK-30型冲击试样机。弯曲试样尺寸5.0mm×5.0mm×55mm，跨距为24mm，试验采用30t液压抗弯材料试验机。每组采用5个试样取平均值。
表2　M2Al钢试样的热处理工艺
序号
热处理工艺
序号
热处理工艺
序号
热处理工艺
A1
A2
A3
B1
B2
B3
X1＋1200℃
X2＋1200℃
X3＋1200℃
X1＋1210℃
X2＋1210℃
X3＋1210℃
C1
C2
C3
D1
D2
D3
X1＋1220℃
X2＋1220℃
X3＋1220℃
X1＋1230℃
X2＋1230℃
X3＋1230℃
E1
E2
E3
F1
F2
F3
X1＋1240℃
X2＋1240℃
X3＋1240℃
X1＋1245℃
X2＋1245℃
X3＋1245℃
3　试验结果与分析
　　M2Al钢经不同工艺热处理后的奥氏体晶粒度如表3所示。从表3可以看出，同一淬火温度，不同热处理方式，奥氏体晶粒度是不同的。总的来说，X3工艺的奥氏体晶粒最细，X2工艺的次之，X1工艺的晶粒最粗大，1200℃淬火，不论用哪一种热处理方法，奥氏体晶粒度都达到12级，没有出现混晶。这是因为在低温淬火时，A1起到了细化晶粒的作用［3］。1210℃以上淬火时，X1工艺开始出现混晶，随着淬火温度的升高，混晶越来越严重。X2工艺虽然也出现混晶，但是和X1工艺相比要轻的多，和X3工艺的晶粒度相当。图1是1220℃不同热处理工艺淬火的奥氏体晶粒度。图1a是X1处理工艺的晶粒度，混晶最严重，局部有粗大晶粒，平均晶粒度达到10.5级。图1b是特别选定的视场，X2处理工艺的晶粒度，只有个别粗大晶粒，平均晶粒度为11.5级。图1c是X3处理工艺的晶粒度，没有出现混晶，晶粒度为11.5级。同一淬火温度，不同的热处理工艺，得到的奥氏体晶粒度不同，是由于试样的加热速度不同造成的。X3工艺处理时，盐浴传热有传导、对流、辐射等，加热速度快；而X1工艺真空加热只有辐射、传导，加热速度要慢得多。因此，对于盐浴分级淬火而言，虽然缺陷处的再结晶温度低，能先发生再结晶，但快的加热速度使这些先发生再结晶的晶粒还未来得及长大，已到了大多数晶粒发生再结晶的温度，阻碍了异常晶粒的长大。而真空加热速度慢，先发生再结晶的晶粒优先长大，促使了奥氏体异常大晶粒的形成。为了提高真空加热速度，按X2工艺真空加热时，充入惰性气体，增加了热传导和对流，使得加热速度介于X1和X3工艺之间，因此X2工艺的晶粒度介于X1和X3工艺的晶粒度之间，有效地抑制了异常晶粒的长大。

图1　M2Al钢经不同工艺预先热处理和1220℃淬火后的奥氏体晶粒度　×450
（a）X1工艺　（b）X2工艺　（c）X3工艺
表3　M2Al钢经不同工艺热处理后奥氏体晶粒度级别表
序号
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
晶粒度组别
有无混晶
12
无
12
无
12
无
11.5
极少
12
无
12
无
10.5
很少
11.5
极少
11.5
无
序号
D1
D2
D3
E1
E2
E3
F1
F2
F3
晶粒度级别
有无混晶
8.5
有
9.5
很少
10
无
7
很多
8
有
8.5
无
6
严重
7
很多
7
无
　　表4是不同热处理工艺M2Al钢的力学性能。从表4可以看出，同一淬火温度X2工艺的强韧性配合最佳。一般来说，材料的硬度升高，冲击韧度和抗弯强度下降。但是本试验的结果则不然。如1220℃淬火，3种热处理工艺C2试样的硬度最高，C2试样的冲击韧度和抗弯强度也最高。这是因为X2工艺和X1工艺相比具有细的晶粒度，细的奥氏体晶粒度可以同时提高钢的强度和韧性。和X3工艺相比，X2工艺的试样是真空油淬，经回火后析出的碳化物呈微粒状，分布均匀而且弥散，这些碳化物钉扎位错的作用比较强烈，从而提高了钢的强韧性。而X3工艺的试样是盐浴分级淬火，经回火后析出的碳化物较粗，带一定的方向性，因此降低了钢的强度和韧性［4］。图2是C2试样淬火后4次回火的金相组织。基体是回火马氏体，碳化物均匀分布在基体上。
表4　M2Al钢经不同工艺热处理后的力学性能

序号
A1
A2
A3
C1
C2
C3
F1
F2
F3
晶粒度
硬度HRC
冲击韧度／J.cm－2
抗弯强度／103MPa
12
61
31．3
2．25
12
62
32
2．31
12
60
30
2．15
10．5
64．5
22．7
2．03
11．5
65
25
2．09
11．5
64
18．7
1．94
6
66．7
16．2
1．61
7
67．3
18．9
1．70
7
66
10
1．24

图2　M2Al钢C1试样淬火后4次回火的
金相组织　×500
　　不同的淬火温度，X1工艺的试样几乎都出现了混晶现象，而且随着淬火温度的升高，混晶越来越严重。但是，X1工艺和X3工艺相比，X1工艺试样的冲击韧度和抗弯强度比X3工艺的高。这说明混晶、奥氏体晶粒度的大小并不是影响冲击韧度和抗弯强度的最主要的因素。影响冲击韧度和抗弯强度的最主要的因素是钢中碳化物的形态和分布。
　　一般来说，为了获得优良的综合力学性能，高碳型高速钢必须适当降低淬火温度。有些工厂为了避免M2Al钢出现混晶，也采用低温淬火工艺。但是采用低温淬火会牺牲一部分硬度，影响M2Al钢超硬性能的发挥。图3是M2Al钢1245℃淬火的奥氏体晶粒度，图3a为X1处理工艺，图3b为X2处理工艺。从图3a和b可看出真空热处理后，虽然晶粒度分别达到6级和7级，但并没有出现过热组织。这是因为Al提高Ac和Ar温度［3］，有抑制莱氏体、晶界网状碳化物等过热组织出现的作用［3］。因此可以通过提高M2Al钢的真空淬火温度，以获得优良的综合力学性能，发挥M2Al钢的超硬性，使其硬度＞66HRC。

图3　M2Al钢1245℃淬火的奥氏体
晶粒度　×450
（a）X1工艺　（b）X2工艺
4　结论
　　（1）　真空油淬与盐浴分级淬火相比，真空淬火促进晶粒异常长大。但是真空加热时充入惰性气体，提高加热效率，可以阻碍混晶的出现，提高M2Al钢的强韧性。
　　（2）　影响M2Al钢冲击韧度和抗弯强度的最主要的因素不是混晶、奥氏体晶粒度的大小，而是钢中碳化物的形态和分布。
　　（3）　M2Al钢1245℃真空油淬，奥氏体晶粒度达到6～7级，但并没有出现过热组织，因此可以通过提高真空淬火温度，发挥M2Al钢的超硬性能。
作者简介：周体和：男，30岁，在职硕士，工程师，主要从事超硬工模具的研究及开发工作，　　　　　　已发表论文7篇。
作者单位：周体和：北京科技大学材料科学与工程学院（北京　100083）
　　　　　马素娟：北京市粉末冶金研究所（北京　100078）
参考文献
1　成都工具研究所等．机械工程材料，1977，1（2）：1～4．
2　徐祖耀．Al在高速钢中的作用．机械工程材料，1993，17（2）：4～5．
3　陈景榕等．含Al高速钢奥氏体非均匀长大的机制．北京科技大学学报，1991，13（5）：23～28．