高速钢循环深冷处理后的显微组织和力学性能段春争,王敏杰(大连理工大学机械工程学院精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连 116023)摘要:采用X 射线衍射、透射电镜以及力学性能试验等分析方法,研究了多次循环深冷处理对W 6Mo5Cr4V2高速钢的显微组织和力学性能的影响。
结果表明,与一次长时间深冷处理相比,多次短时循环深冷处理后W 6Mo5Cr4V2钢中马氏体的c /a 和含碳量明显减小,残留奥氏体数量进一步降低,有大量新的超细弥散碳化物颗粒沿马氏体孪晶带和位错线析出,碳化物的平均粒度显著降低。
经多次短时间循环深冷处理后高速钢力学性能更好,因此在实际生产中应适当增加深冷处理次数。
关键词:循环深冷处理;W 6Mo5Cr4V2高速钢;显微组织;力学性能中图分类号:TG156.91 文献标识码:A 文章编号:025426051(2008)0320090204M i crostructure and m echan i ca l properti es of h i gh speed steel aftercycli c cryogen i c trea t m en tDUAN Chun 2zheng,WANG M in 2jie(Dalian University of Technol ogy,School ofMechanical Engineering,Key Laborat ory ofM inistry of Educati onf or Precisi on and Non 2traditi onalMachining,Dalian L iaoning 116023,China )Abstract:The influence of cyclic cryogenic treat m ent on the m icr ostructure and mechanical p r operties of W 6Mo5Cr4V2high s peed steel was studied by XRD,TE M and mechanical p r operties test .The results show that,compared with single l ong ti m e cryogenic treat m ent,the short ti m e cyclic cryogenic treat m ent gain much l ower c /a rati o and carbon content of martensite,and less residual austenite .After cyclic short ti m e cryogenic treat m ent,a l ot of ne w ultra 2fine dis persed car 2bide particles p reci p itate on the t w in bands and disl ocati on lines of martensite and the average carbide size decreases,and the mechanical p r operties i m p r ove significantly .Therefore,it is beneficial t o increase the cryogenic treat m ent ti m es in p ractical app licati on .Key words:cyclic cryogenic treat m ent;W 6Mo5Cr4V2high s peed steel;m icr ostructure;mechanical p r operties作者简介:段春争(1970—),男,黑龙江鹤岗人,博士,讲师,主要研究方向金属材料的深冷处理工艺及机理,金属切削理论。
联系电话:0411283015033 E 2mail:dbf71@ 收稿日期:2007210228 深冷处理作为一种改善金属材料综合力学性能的手段,因具有成本低、设备简单、耗能少且无污染等优点,而越来越受到人们的重视。
大量研究表明[123],通过合理制定深冷处理工艺可以明显提高合金工具钢和碳素工具钢等钢材的力学性能,硬度可提高1～3HRC,使用寿命提高1～10倍。
对于深冷处理机理方面,普遍认为残留奥氏体转化为马氏体以及析出弥散碳化物是深冷处理后钢铁材料综合力学性能明显改善的主要原因[426]。
高速钢常用于制作切削刀具和精密冷作模具,高速钢刀具经深冷处理后其红硬性和刀具寿命大幅度提高[7]。
但是,与1次长时间深冷处理相比,循环深冷处理对微观组织和力学性能的影响还缺乏深入研究,多次循环深冷处理效果是否更好尚不能确定。
本研究采用X 射线参考文献:[1] 钱建刚,李 荻,郭宝兰.镁合金的化学转化膜[J ].材料保护,2002,35(3):526.[2] Thomas J R,Darryl L A.H igh ductility magnesium all oys inaut omotive app licati ons [J ].Advanced M aterial &Pr oces 2ses,1994,145(6):28232.[3] 房灿峰,张兴国,于延浩,等.镁合金的性能、成形技术及其应用研究[J ].金属热处理,2006,31(3):12216.[4] Song G,A trens A.Recent insights int o the mechanis m ofmagnesium corr osi on and research suggesti ons [J ].Ad 2vanced Engineering M aterials,2007,9(3):1772183.[5] 张永君,严川伟,王福会,等.镁的应用及其腐蚀与防护[J ].材料保护,2002,35(4):426.[6] 周婉秋,单大勇,曾荣昌,等.镁合金的腐蚀行为与表面防护方法[J ].材料保护,2002,35(7):123.[7] 王 洁,丁毅.镁合金化学转化处理[J ].材料保护,2006,39(7):38241.[8] 李金桂,吴再思.防腐蚀表面工程技术[M ].北京:化学工业出版社,2003.[9] 郑 臻,余新泉,孙扬善.前处理对镁合金化学镀镍结合力的影响[J ].中国腐蚀与防护学报,2006,26(4):2212226.衍射仪、透射电子显微镜(TE M)等方法观察并分析了W6Mo5C r4V2高速钢循环深冷处理后各种物相和微细组织的变化,确定了循环深冷处理的微观机理,通过力学性能试验,研究了深冷时间和深冷次数对力学性能的影响,为进一步优化高速钢深冷处理工艺提供了依据。
1 试验材料及方法111 试验材料和深冷处理试验材料为W6Mo5Cr4V2高速钢,其主要化学成分(质量分数,%)为0187C、5156W、4160Mo、3186Cr、1178V、0118Si、0137Mn、01028P、01028S,余量Fe。
材料毛坯尺寸为<70mm,热处理工艺采用1260℃加热4m in后油冷,不进行回火处理,避免析出回火碳化物,干扰组织观察。
淬火后采用直浸式深冷处理,介质为液氮,深冷处理工艺分为1次长时间深冷和多次短时间循环深冷两类,分别为1次3h、1次12h、2次1h和3次1h深冷处理,每次深冷后试样放在空气中升至室温。
112 显微观察和力学性能试验使用D/MAX22400型X射线衍射仪,选用Cu2KαX射线进行物相分析。
使用H2800型透射电子显微镜观察深冷处理前后的微观组织。
将淬火处理后的毛坯用线切割机加工成10mm×10mm×55mm无缺口试样,表面磨光。
试样深冷处理后在JB800型冲击试验机上测量冲击韧度αK。
将淬火处理后的毛坯用线切割机和车床加工成<8mm ×80mm试样,表面磨光。
在WC2300液压万能材料实验机上测量深冷处理后试样的抗弯强度σbb,用TYPE23036X2Y RECORDER型应变仪测量挠度f。
将深冷处理后的冲击试样放入HR2150型洛氏硬度计测量硬度值。
上述试验取3次平均值。
2 试验结果与分析211 X射线衍射分析通过将衍射数据同标准特征谱线或P DF卡片对照,经循环深冷处理的W6Mo5Cr4V2高速钢试样衍射线主要由马氏体、奥氏体、M6C和少量VC等组成,不同深冷处理工艺各个衍射线条的变化也不同,下面对每种物相衍射线条的变化进行分析。
21111 深冷前后马氏体衍射峰及马氏体轴比和含碳量为了便于计算马氏体的c/a,选用马氏体的(112)和(121)晶面衍射峰来研究。
W6Mo5Cr4V2钢经深冷处理后马氏体衍射峰的变化如图1所示。
从图1可以看出,随着深冷时间和深冷次数的增加,马氏体衍射峰强度增加,说明深冷处理后残留奥氏体继续转变成马氏体,致使马氏体含量增加。
此外,马氏体衍射峰逐渐向大角度偏移,并且逐渐变窄,说明马氏体内的含碳量发生了变化,有含碳量较高的碳化物从马氏体中析出,并且碳化物析出数量随深冷次数的增加而增加,3次深冷处理后马氏体衍射峰变化最大,说明重复深冷对碳化物析出有利。
观察图1还发现,由于深冷处理后碳化物析出,马氏体正方度下降,(112)和(121)晶面间距减小,(112)和(121)晶面衍射峰互相靠拢,并且随深冷次数增加,这一现象更加明显。
从表1中的计算数据中可以看出,深冷后马氏体c/a和含碳量减小,循环深冷后下降尤为显著,说明随着深冷次数增加,碳化物析出量增加。
图1 深冷处理前后马氏体(112)和(121)晶面衍射峰Fig.1 XRD peaks of the(112)and(121)crystal face of martensite before and after cryogenic treat m ent表1 W6M o5Cr4V2钢深冷处理前后马氏体轴比和含碳量Table1 The c/a ra ti o and carbon con ten t of marten site before and after cryogen i c trea t m en t for W6M o5Cr4V2steel深冷工艺马氏体c/a马氏体含碳量(质量分数,%)淬火,未深冷 1.069 1.50淬火+深冷3h 1.068 1.48淬火+深冷12h 1.059 1.28淬火+2次1h深冷 1.052 1.13淬火+3次1h深冷 1.0420.9121112 深冷前后奥氏体衍射峰及奥氏体含量由于奥氏体(111)晶面衍射峰与马氏体的(110)晶面的衍射峰重叠,以奥氏体(200)晶面的衍射峰来分析,见图2。