热处理工艺对W2Mo9Cr4VCo8高速钢硬度和组织的影响

王鑫，李铮，康风波，李检贵，叶健熠

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

W2Mo9Cr4VCo8(美国牌号M42)是超硬型高钴韧性高速钢，该钢具有高的硬度和红硬性，同时回火稳定性及耐磨性也非常好，易于机加工，广泛用于金属切削刀具的制造[1]，但采用该材料制造轴承还不常见。为适应某型号轴承高硬度(不小于67 HRC)、高耐磨性和耐疲劳性能的工况要求，尝试选用了W2Mo9Cr4VCo8钢制造此类轴承。对轴承零件的热处理工艺进行了详细试验研究，阐述了热处理工艺对该高速钢硬度和组织的影响。

1 试样制备

试验用料为直径8 mm的W2Mo9Cr4VCo8钢退火状态直条料，供货技术条件满足GB/T 9943—2008《高速工具钢》，其化学成分和材料的冶金质量分别见表1、表2。将直条料切成若干小段，制备成热处理试样。

表1 W2Mo9Cr4VCo8钢的化学成分 w，﹪

表2 W2Mo9Cr4VCo8钢的冶金质量

2 热处理工艺试验及分析

2.1 工艺试验方案

淬火试验在WZC-45真空淬火炉内进行，淬火温度选用1 150，1 165，1 180，1 200和1 220 ℃共5种。为减小加热过程中试样内外温度差和加热时产生的内应力，淬火前对试样进行预热，预热温度为850 ℃，预热时间为20 min。5种淬火温度的加热时间均为12 min，采用油冷却方式，冷却15 min后分别进行常温和-78，-196 ℃冷处理，并保温1 h；冷处理后自然回暖至室温，并分别在520，535和550 ℃下进行回火，回火时间均为1.5 h，回火3次，热处理试验工艺曲线如图1所示。

图1 热处理试验工艺曲线

2.2 淬火温度对硬度和组织的影响

不同淬火温度下对试样进行淬火试验，淬火后用洛氏硬度计测量试样硬度(3点均值)；对试样进行磨制、抛光，用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，金相显微镜观察试样淬火晶粒度，依据JB/T 11087—2011《滚动轴承 钨系高温轴承钢零件 热处理技术条件》对试样淬火组织晶粒度进行评定；测量试样的残余奥氏体含量，结果见表3。

表3 不同淬火温度下试样的硬度和组织测量结果

由表3可知，随着淬火温度的提高，试样淬火硬度有逐渐降低的趋势，这是因为随着淬火温度的提高，虽然钨钼碳化物能以较快速度溶解到奥氏体中，使奥氏体中的碳和合金元素的含量逐渐增加，马氏体中的含量也增加，这时钢的硬度理应增加，但是奥氏体向马氏体的转变温度点(Ms)随这些合金元素含量的增加而降低，使淬火后钢中的残余奥氏体含量逐渐增加[2]，因此，硬度呈下降趋势。随着淬火温度的提高，淬火组织晶粒度逐渐增大，如图2所示。1 220 ℃时淬火晶粒度开始出现明显长大，出现晶界熔化、过烧等现象。

图2 不同淬火温度下试样淬火组织晶粒度照片

2.3 冷处理、回火对硬度和回火组织的影响

不同冷处理和回火温度下对试样进行回火试验，回火后用维氏硬度计测量试样硬度(3点均值，并换算为洛氏硬度)；对试样进行磨制、抛光，然后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，依据JB/T 11087—2011对试样回火组织进行检验，结果见表4。

由表3、表4可知，不同温度的淬火试样，经不同的冷处理工艺及回火工艺后，硬度都有不同程度的提高，同时随着淬火温度的提高，回火硬度值也明显提高。随着淬火温度的提高回火组织级别也相应提高，与淬火组织级别基本对应(图3)，1 220 ℃淬火试样回火组织大于4级，出现过烧组织。3种不同冷处理工艺的试样，经同一回火温度回火后硬度及回火组织变化相差不大。

表4 冷处理、回火工艺对试样硬度及组织的影响

图3 不同淬火温度下试样回火组织照片

2.4 残余奥氏体含量分析

残余奥氏体在200～300 ℃开始转变为回火马氏体，到300 ℃时残余奥氏体分解基本结束，但W2Mo9Cr4VCo8高速钢基体中固溶有大量合金元素，使过冷奥氏体等温转变C曲线右移，降低了马氏体转变温度，增加了过冷奥氏体的稳定性，使得淬火高速钢中有大量的残余奥氏体，需要进行回火消除。

不同淬火温度、冷处理条件、回火条件下，经过3次高温回火后，用X射线衍射仪对W2Mo9Cr4VCo8试样的残余奥氏体含量进行测量，发现试样残余奥氏体含量为零，说明3次高温回火能够完全消除残余奥氏体。

2.5 热处理工艺优化

通过对该钢的热处理试验及结果分析，优化后的热处理工艺为：淬火温度1 165～1 180 ℃，回火温度535～550 ℃，回火3次，每次1.5 h。回火后试样硬度为67.8～68.6 HRC，回火组织为3级，残余奥氏体为零，符合该轴承对其性能的设计要求。

3 结论

(1)W2Mo9Cr4VCo8钢在1 150～1 220 ℃温度区间淬火，淬火硬度逐渐降低。

(2)W2Mo9Cr4VCo8钢在1 150～1 220 ℃温度区间淬火，520～550 ℃温度区间3次回火，硬度逐渐提高，这主要是淬火后的残余奥氏体在冷处理和回火过程中大量分解转变为马氏体及碳化物析出的缘故。

(3)淬火组织晶粒度随淬火温度的升高逐渐增大，1 220 ℃淬火后晶界出现了烧熔现象，为过烧组织。

(4)在3种不同的冷处理工艺下处理的试样，经同一回火温度3次回火后，硬度及回火组织差别不大，残余奥氏体含量均为零，因此可以不必进行冷处理。