Co微合金化对M2高速钢组织和性能的影响

李亮军， 张家敏， 迟宏宵， 周 健

(1. 昆明理工大学 材料科学与工程学院， 云南 昆明 650093； 2. 钢铁研究总院 特殊钢研究院， 北京 100081)

M2高速钢是目前应用最多的高速钢品种。随着现代机械技术的高速发展，提升M2高速钢的硬度、耐磨性和红硬性仍然是该领域科研工作者追求的主题之一。采用Co微合金化是提升高速钢红硬性的重要合金化手段之一，因此高速钢中常有添加5%(质量分数，下同)Co和8%Co以及更高Co含量的高速钢钢种。Speich等[1-3]研究结果表明，Co能够抑制回火马氏体的回复，并促进细小弥散的碳化物在回火过程中弥散析出。Dobrzanski等[4-5]研究表明，Co能够使得高速钢的二次硬度提高1.6～1.9 HRC，并使得高速钢刀具的切削速率提高50%。刘宇等[6-7]研究表明，钢的二次硬化能力和Co的含量呈线性关系，并且Co能够增加钢600 ℃以下的高温硬度，而并不增加600 ℃以上的红硬性和高温硬度。对于高速钢，起到二次硬化作用的二次碳化物可能是M2C、M23C6和MC。适当的延长回火时间，可以获得细小的二次碳化物和更小的晶粒尺寸，从而有效提高冲击性能和耐磨性[8]。虽然Co能提高高速钢的二次硬化峰值、红硬性和高温硬度，但是Co与W、Wo、V等元素不同，不形成碳化物，并且对Co能够提高高速钢红硬性和二次硬化效果的作用机理还不清楚。在20世纪80年代的全球合金元素市场危机引发了对高速钢的大量研究，旨在通过限制昂贵且不易获得的如W、Mo、V、Co的含量，并通过用更便宜和更容易获得的如Si、Ti、Nb来代替。对高速钢来说，Co非常重要，我国的Co资源非常匮乏且价格昂贵。国内外主要致力于对高Co含量高速钢的研究，而对微量Co高速钢的研究较少，高Co含量高速钢虽然有着更好的综合性能，但是并不能够带来可观的经济效益。因此，研究微量Co对高速钢的影响至关重要。

1 试验材料与方法

本文采用50 kg的真空感应炉冶炼2种试验钢，并将冶炼好的钢锭进行锻造，锻造成尺寸为φ16 mm的钢棒，锻后及时退火处理，根据Co含量的不同标记为0Co和0.82Co，试验钢的成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

在热处理前先在试验钢的表面刷上一层防脱碳、抗氧化的涂层。2种试验钢均采用的热处理工艺为850 ℃预热，然后转炉至1200 ℃淬火30 min，油冷至室温，最后分别在460、480、500、520、540、560、580、600 ℃回火3次，每次2 h，空冷，之后测定其硬度、冲击性能和抗弯强度。选取540 ℃回火后的试样进行红硬性测试，测试温度为600 ℃，保温时间分别为0、4、8、12、24和48 h，采用GB/T 230.1—2004《金属洛氏硬度试验 第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)》测定不同保温时间并冷却至室温的试样硬度值；采用尺寸为5 mm×5 mm×55 mm 的无缺口冲击试样按GB/T 229—2007 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行室温冲击试验，对同一种回火热处理之后试验钢取3组平行试样，最后取平均值；抗弯强度试验采用的是三点弯曲的方法进行，将试验经过热处理之后的试验钢，加工成φ5 mm×45mm 的标准试样，并采用YB/T 5349—2014《金属弯曲试验方法》测定试验钢的抗弯强度。

显微组织和扫描组织观察用5 g CuCl+30 mL HCl+30 mL H2O+25 mL酒精，试剂配好后放置20～30 min擦拭侵蚀。采用OLYMPUS GX51光学显微镜、Quanta 650 FEG热场发射扫描电镜、场发射透射电镜和能谱仪对试验钢的红硬性组织、碳化物种类成分以及冲击断口进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 回火硬度及红硬性分析

图1(a)为两种试验钢的回火硬度曲线。从图1(a)可以看出，在460～600 ℃高温回火温度范围内，试验钢的回火硬度都呈现先升高后降低的趋势，添加0.82Co后，M2钢的高温回火硬度没有显著提高。在460～520 ℃范围内，回火硬度逐渐升高，两种钢均出现典型的二次硬化效应，二次硬化峰出现在520 ℃。这是因为在回火过程中伴随着二次碳化物的析出和长大的过程，在回火温度低于520 ℃时，随着回火温度的升高，在回火马氏体上析出的二次碳化物的数量增多，从而使得硬度提高，产生硬化现象。回火过程增加了碳化物析出的驱动力[9]，使得回火硬度升高。超过520 ℃之后，两种钢的回火硬度开始下降，其中0Co钢的回火硬度在温度高于540 ℃之后硬度急剧下降，而0.82Co钢的回火硬度在回火温度高于580 ℃之后开始急剧下降。

图1(b)为两种试验钢经540 ℃回火后的红硬性曲线。从图1(b)可以看出，随着保温时间的延长，两种试验钢的硬度都呈现逐步降低趋势，在开始的4 h内，随着时间的延长，两种试验钢的硬度都在急剧下降，而之后硬度下降趋势变得缓慢。0Co钢和0.82Co钢经过600 ℃保温48 h后，硬度分别下降了13.3 HRC和12.5 HRC，0.82Co 钢表现出了比0Co钢更好的红硬性，但是提升效果不显著。高速钢的红硬性主要取决于淬火时溶入奥氏体当中的合金碳化物的含量，以及在回火过程中会促使析出弥散的碳化物抗聚集能力，从而提高高速钢的硬度和红硬性[10-12]。随着保温时间的延长，细小的二次碳化物的尺寸增大，使得基体中固溶的碳和合金元素的含量急剧降低，从而基体组织硬度降低，红硬性也降低。

2.2 冲击性能和抗弯强度分析

图2为两种试验钢的在不同回火温度下的冲击吸收能量和抗弯强度。从图2(a)可看出，随着回火温度的升高，两种试验钢的冲击吸收能量在增大，即冲击性能在增大，0Co钢的冲击性能要略优于0.82Co钢的，但是随着回火温度的升高，二者的冲击性能逐渐接近，最后差别不大。从图2(b)可以看出，随着回火温度的升高，两种试验钢的抗弯强度都呈现先升高后降低的趋势，在580 ℃时达到峰值，其中0Co钢抗弯强度的峰值为4424 MPa，而0.82Co钢抗弯强度的峰值为5251 MPa，0.82Co钢的抗弯强度要显著高于0Co钢的。从图2可以看出，两种试验钢在回火温度为580 ℃左右时，具有较好的冲击性能和抗弯强度。

图2 试验钢在不同回火温度下的冲击吸收能量(a)和抗弯强度(b)

2.3 冲击断口分析

图3为试验钢在不同回火温度下的冲击断口形貌。可以看出，两种试验钢的断裂方式为准解理断裂，0Co钢的断口上分布着大量大颗粒的碳化物，经过能谱分析，大颗粒的碳化物多为MC，且多为角状。0.82Co钢的断口上可以看到分布着许多平坦的“类解理”小平面和微孔，并且随着回火温度的升高，这种“类解理”平面变大，0Co钢断口上的大颗粒角状碳化物的数量相对较少。高速钢受冲击时，在碳化物以及其与基体的交界面上都非常容易产生裂纹，这是因为高速钢中的合金碳化物是硬而脆的，在冲击时，由于外力的作用下，大颗粒角状的碳化物开裂并产生微裂纹，使得高速钢的韧性变差。高速钢经过淬火和回火之后得到的组织为回火马氏体，Co的添加使得马氏体基体中的碳和合金元素的含量增大，微裂纹在马氏体基体上的扩展更为容易，从而使高速钢的冲击性能有所降低。

图3 0Co钢(a、c)和0.82Co钢(b、d)经不同温度回火后的冲击断口形貌

2.4 组织分析

图4为试验钢在600 ℃保温不同时间的显微组织照片。可以看出，经过热处理之后的组织为回火马氏体+碳化物+残留奥氏体。随着保温时间的延长，基体上析出的碳化物数量增多，细小的碳化物也出现了聚集和长大。随着Co含量的升高，小颗粒碳化物的数量更多，0Co钢中一次碳化物的尺寸明显要比0.82Co钢大，并且呈角状和球状，而0.82Co的一次碳化物的颗粒细小，呈球状。0Co钢的晶粒尺寸要明显大于0.82Co钢的，从而使得0Co钢的马氏体板条变得粗大，随着保温时间的延长，马氏体板条变得越发粗化。保温前4 h马氏体板条快速粗化，而碳化物的析出较少，从而使得硬度下降较快，而随着保温时间的延长，马氏体板条长大速率降低，而在基体上析出的细小碳化物逐渐长大并聚集，使得固溶在基体当中的碳和合金元素的数量减少，从而使得基体的硬度下降。

图5和图6为两种试验钢在600 ℃保温不同时间的SEM形貌及碳化物能谱分析。从图5可以看出，0Co钢中碳化物的尺寸粗大，小颗粒的碳化物数量要远远少于0.82Co 钢，对奥氏体晶界的钉扎作用减弱，使得晶粒长大，导致0Co钢晶粒尺寸要大于0.82Co钢的晶粒尺寸，从而使得晶粒内部的马氏体尺寸也较大。经过能谱分析发现两种试验钢的碳化物的种类主要是由富含W、Mo的M6C和富含W、Mo、V的MC型两种碳化物所组成，大颗粒的碳化物主要分布在晶界处，小颗粒的碳化物主要分布在晶界内并靠近晶界；并且随着保温时间的延长，马氏体板条发生了较大的回复，细小的碳化物也进一步粗化。

图5 0Co钢(a～c)和0.82Co钢(d～f)经600 ℃保温不同时间后的SEM形貌

图6 图5中碳化物的能谱

图7为试验钢经600 ℃保温48 h后的TEM组织及碳化物能谱分析。图7(a)为0Co钢中的小颗粒白色的碳化物，由图7(d)的能谱可以看出，该类型的碳化物为富含V的MC型碳化物VC，该类碳化物是淬火时未溶的大颗粒共晶碳化物，对钢的红硬性影响不大。图7(b，c)为两种试验钢的TEM组织形貌，可以看出，两种试验钢经600 ℃保温48 h后，马氏体板条均发生了较大的回复，两种试验钢的马氏体板条宽度相差不大，可以看出马氏体的宽度并没有直接影响高速钢的红硬性。

图7 试验钢在600 ℃保温48 h后的TEM形貌

图8为600 ℃保温48 h后两种试验钢中二次碳化物的形貌及衍射斑。从图8可以看出，两种试验钢中二次碳化物主要为长条针状的密排六方结构的M2C型的碳化物Mo2C，从图8(a)可以看出，M2C碳化物的衍射斑(红色衍射斑)与马氏体基体(白色衍射斑)之间的取向关系接近。

3 结论

1) 通过对0Co钢和0.82Co钢的硬度和红硬性研究发现，添加0.82Co元素并没有显著提高M2高速钢硬度和红硬性，在460～600 ℃回火温度范围内，添加0.82Co之后回火硬度仅仅提高了0.26～1.10 HRC；在600 ℃下保温48 h后，0Co钢的硬度下降了13.3 HRC，而0.82Co钢的硬度下降了12.5 HRC。

2) 通过对0Co钢和0.82Co钢的冲击性能和抗弯强度分析发现，0Co钢的冲击性能略优于0.82Co钢，当回火温度高于520 ℃时，随着温度的继续升高，二者的冲击性能逐渐接近；添加0.82Co元素可大幅提高M2钢的抗弯强度，0.82Co钢的抗弯强度明显要优于0Co钢，并且随着回火温度升高，0.82Co钢的抗弯强度明显要优于0Co钢，并且两种试验钢均在580 ℃时达到抗弯强度的峰值。

3) 两种试验钢的回火组织主要为回火马氏体+碳化物+少量残留奥氏体，一次碳化物主要为富含W、Mo的M6C和富含W、Mo和V的MC，二次碳化物主要为密排六方结构的M2C，呈针状析出，Co能够促进钢中的二次碳化物的析出，且在基体上均匀分布，从而对钢的硬度和强度有利。