真空气体淬火热处理对粉末冶金高速钢S390硬度的影响

雷洋,王兴,田伟,陈方,巩天喆

(陕钢集团产业创新研究院有限公司,汉中 723000)

高速、高效的切削加工方式为现代制造业的主要发展方向之一,广泛应用于钢铁、铝合金等材料的高速切削加工中[1-2]。

目前,对于粉末冶金高速钢真空气体淬火热处理的相关应用较少,真空热处理相对盐浴更加绿色环保,因此需要对后续企业的绿色转型发展进行相应的技术储备。蔡红等[3]对粉末冶金高速钢S390进行了真空气体淬火试验,得出在加热温度为1 180 ℃、冷却压力为0.4 MPa 和加热温度为1 230 ℃、冷却压力为0.6 MPa条件下,该钢的硬度均大于63.2 HRC。笔者对刀具使用过程中硬度与红硬性进行了测试,结果可为后续粉末冶金高速钢真空气体淬火热处理提供试验方向。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

对粉末冶金高速钢S390 半成品滚刀毛坯料(1件)与扇形试样(2件)进行试验。试样直径为70 mm,长度为160 mm,孔径为31 mm;扇形试样的有效厚度为10 mm。试验材料的化学成分如表1所示。

表1 试验材料的化学成分 %

1.2 试验方法

使用抛丸机去除试样表面毛刺,对试样1、试样2进行真空热处理,装炉前使用汽油对这两个试样进行清洗,晾干后入炉,对试样3进行盐浴热处理。试样1～3的热处理工艺参数如表2所示。

表2 试样1～3的热处理工艺参数

将淬火冷却气体压力设定为0.8 MPa,将平均冷却速率设定为3 ℃/s。淬火完成后,对试样进行打磨、抛光,使用光学显微镜观察淬火后试样的晶粒度,使用洛氏硬度计测试试样的硬度。使用硝盐回火炉进行回火,工艺制度为560 ℃×60 min×4次,回火完成后对试样进行打磨、抛光,再将试样置于光学显微镜下观察,使用洛氏硬度计测试试样的硬度。最后对试样进行红硬性试验,工艺制度为600 ℃×4 h×1次,完成后对试样进行打磨,使用洛氏硬度计测试试样的硬度。

2 试验结果与分析

2.1 淬火后试样的晶粒度与硬度

2.1.1 淬火后试样的晶粒关度

淬火后试样2,3的显微组织形貌如图1所示。由图1可知:淬火后试样2的晶粒度评级为10.5～11级,无混晶现象;淬火后试样3的晶粒度评级为11～11.5级,无混晶现象。一次碳化物颗粒均匀分布在基体中,这是由于粉末冶金技术解决了传统高速钢冶炼过程中一次碳化物粗大和组织严重偏析等问题,因此粉末冶金技术具有无成分偏析、晶粒细小、碳化物尺寸细小、热处理变形小、硬度均匀、韧性和耐磨性良好等优点[4]。在加热保温过程中,大量均匀弥散分布的一次碳化物作为第二相质点,对奥氏体晶界起到了钉扎作用,阻碍奥氏体晶粒的长大[5],从而得到超细晶粒。

图1 淬火后试样2,3的显微组织形貌

2.1.2 淬火后试样的硬度

淬火后试样1～3的硬度测试结果如表3所示。

表3 淬火后试样1～3的硬度测试结果 HRC

真空淬火后试样未发生开裂,说明冷却速率未超过临界点。由表3可知:淬火后试样2的硬度平均值低于试样1,相差0.8 HRC。试样1的有效厚度为19.5 mm,试样2,3的有效厚度为10 mm,真空淬火后试样1,2较试样3盐浴炉后的硬度低,说明在该真空试验条件下,试样1,2均存在碳化物的提前析出行为[6]。由于冷却速率有限,较厚试样的冷却速率较慢,奥氏体中溶解的碳化物部分提前析出,弥散的二次碳化物提高了基体组织的硬度,因而淬火后,两试样的硬度存在较大差异。

2.2 回火程度与回火后试样的硬度

2.2.1 回火程度

回火后试样2,3的显微组织形貌如图2所示。由图2可知:基体中黑色为回火马氏体,碳化物颗粒分布均匀,回火充分且无残余奥氏体,回火程度为1级,无过热现象发生。

图2 回火后试样2,3的显微组织形貌

2.2.2 回火后试样的硬度

回火后试样1～3的硬度测试结果如表4所示。

表4 回火后试样1～3的硬度测试结果 HRC

回火后试样2,3的硬度变化如图3所示。由图3可知:回火过程中试样2,3的硬度先增大后减小。淬火后,钢中存在残余奥氏体,未完成马氏体转变。由于残余奥氏体的碳含量降低,在560 ℃回火2次过程中,残余奥氏体分解为淬火马氏体,即产生“二次淬火现象”。残余奥氏体的分解与转变对回火硬度的增大产生作用。另一方面,回火过程中,基体中大量细小的MC型二次碳化物弥散析出,起到二次硬化效果[7]。

图3 回火后试样2,3的硬度变化

2.3 红硬性试验

试样1～3的红硬性试验结果如表5所示。

表5 试样1～3的红硬性试验结果 HRC

由表5可知:试样1的红硬性较试样3的红硬性小3.7 HRC,试样2的红硬性较试样3的红硬性小3.1 HRC。红硬性是指在一定温度下,一定时间后材料保持硬度的能力,是抗回火稳定性试验后的硬度。红硬性主要取决于加热过程中固溶于奥氏体中碳化物的含量。随着加热温度的升高,碳化物溶解量增加,红硬性增大[8]。同时,增大回火后材料的峰值硬度,减小二次碳化物的长大速率也能增大材料的红硬性[9],但由于真空淬火冷却速率较小,材料在二次碳化物的析出区停留时间长,使淬火后得到的过饱和马氏体合金化程度降低,回火过程中二次碳化物析出量减少,提前析出的碳化物已经聚集长大,碳化物的弥散度降低,从而红硬性减小。

真空气体淬火与盐浴热处理后试样2,3的硬度如图4所示。由图4可知:在整个热处理过程中,淬火后盐浴热处理材料的硬度小于真空热处理。二次硬化峰值出现在第2次回火后,硬度相差1.3 HRC,这是由于在真空热处理方式下,淬火过程中碳化物提前析出,固溶于基体中的碳化物含量降低,在同等回火条件下,真空热处理方式下试样中碳的脱溶程度较大,回火抗性降低,再加上二次硬化不足,导致真空热处理方式下材料的回火硬度较小。

图4 真空气体淬火与盐浴热处理后试样2,3的硬度

3 结论

(1) 粉末冶金高速钢S390 的有效厚度为20 mm,在冷却压力为0.8 MPa,冷却速率为3 ℃/s条件下,可以对S390钢进行真空淬火,且该钢不会发生开裂现象。

(2) 回火4次后S390钢的硬度较盐浴回火硬度小1.2 HRC。

(3) 在冷却压力为0.8 MPa,冷却速率为3 ℃/s条件下,真空气体淬火热处理S390钢的红硬性较盐浴热处理后S390钢的红硬性小3.1～3.7 HRC。

(4) 真空热处理与盐浴热处理的差异主要体现在淬火冷却速率较小,增大冷却气体压力可增大冷却速率,进而增大回火后S390钢的硬度,增强其红硬性。