W2Mo9Cr4VCo8铰刀热处理工艺分析

王帮艳

（襄阳航泰动力机器厂，湖北 襄阳 441002）

1 概述

随着航空装备的更新换代，新材料的应用力度逐步加大，特别是一些特殊高温合金的加工，对专用刀具的要求也越来越高。我们在组合加工K477等轴晶铸造高温合金零件的台阶定位孔时，设计了专用锪孔铰刀，铰刀材料采用W2Mo9Cr4VCo8超硬高速钢，见图1。W2Mo9Cr4VCo8是高钴韧性高速钢，该材料含有钨、钼、铬、钒、钴等合金元素，其合金总量达25%左右。通过合适的热处理后，晶粒细致均匀，硬度可达67HRC～70HRC，具有高红硬性，高耐磨耗性与高冲击韧性，且切削加工性能良好，易于制成复杂刀具。

2 热处理工艺分析

2.1 淬火工艺分析

2.1.1 预热

W2Mo9Cr4VCo8超硬高速钢由于含有大量合金元素：Cr3.50～ 4.50%、V0.95～ 1.35%、W1.15～ 1.85%、Mo9.0～10.0%、Co7.50～8.50%，但是因含碳量较高（C1.00～1.15%）及其它非金属杂质的影响导致其塑性较差，传导热的性能不足。假设我们将铰刀的温度由25℃直接升至1200℃以上，铰刀会发生变形甚至会发生断裂，特别是变径轴类零件尤为严重，因此在淬火前必须进行预热。预热可缩短高温加热时间，有利于防止铰刀氧化脱碳及过热缺陷倾向。在本文中我们采用了预热的方式进行操作，在淬火前进行了两次预热，在温度到达620～640℃进行第一次预热，此方式是为了烘干铰刀上的水分，使其不影响后续的操作的正常进行；在温度到达800～820℃进行第二次预热，此方式是为了使索氏体向奥氏体进行转变；然后在预热结束之后迅速加热到1220～1250℃进行最终的操作。

2.1.2 加热、冷却方式选择

最终热处理后硬度要求为66HRC～69HRC，为了避免精加工时磨削烧伤铰刀切削刃，所留的精加工余量较小，要求热处理工艺稳定和尺寸变形小，因此采用真空高压的方式进行操作。使用真空的方式进行操作可以有效避免零件变形，能够确保工艺参数操作的执行。由于锪孔铰刀形位精度要求较高，结合铰刀的横截面积以及精加工余量，对W2Mo9Cr4VCo8在温度到达620～640℃及800～820℃分别进行了预热。本文对不同淬火压力下的零件进行了测试，采用5～6bar淬火压力的条件下就能满足产品要求，结果如表1所示。

表1 淬火压力与硬度与组织

2.1.3 淬火温度的选择

高速钢中加入Cr、W、Mo、V等元素主要是为了形成合金碳化物，合金碳化物的体积细小、硬度高、分散能力强，可以用来进行二次硬化操作。为了使W、Mo、V等的碳化物最大程度地进行溶解，传统的高速钢淬火加热会采用高温的方式，这在一定程度上会提高钢的二次硬化效果，提高材料的室温硬度及红硬性，这在一定程度会造成能源的浪费，加热过程温度较高，工人操作的危险系数增高。

淬火后只有合金元素含量高的马氏体才具有更高的红硬性，Cr、W、Mo、V等合金元素在达到1000℃以上时，其溶解量才急剧增加，才会有更多的Cr、W、Mo、V溶于奥氏体中。在奥氏体中加入合金元素后，体系的稳定性得到提高，MS点得到降低。在淬火的过程中，马氏体转变的量较少，残余奥氏体的量较多，二者呈现反向关系。在加入元素进行加热之后，高速钢中难溶于溶剂的合金碳化物增多，高速钢的精度下降。为了使合金碳化物充分溶解到奥氏体中，淬火的温度需要提升到合金碳化物溶解的临界点以上。在温度超过1300℃时，合金碳化物溶解量较之前的速度放缓，且奥氏体晶粒体积增加迅速，在晶界处会发生熔化等不良反应，致使钢的强度和韧性等不断下降。

淬火温度较低时，奥氏体中溶解的碳及合金元素量较少。奥氏体中溶解的合金元素含量较少会导致其体系的稳定性较差。在之后的淬火冷却过程中，马氏体的转变会比较快速，在进行淬火操作之后，残余奥氏体的含量会达到新低。因此，在保证温度的情况下，淬火温度越高，高速钢的红硬性越好。在实际生产中，我们常用淬火时奥氏体晶体的大小来确保温度的合适度。对高速钢来说，合适的晶粒度为9.5～10.5级。高速钢常用加热系数为50s/mm，锪孔铰刀按此计算加热保温时间大概定为8分钟。

通过实验结果可知，随着淬火温度升高，晶粒度级别逐渐降低（晶粒长大）。温度在1200℃以下时，晶粒度稳定在10级左右。当温度超过1200℃时，晶粒度下降。当温度超过1260℃时，基体中存有的碳化物增多，使原来的碳化物颗粒减少，晶粒度下降为8～5级。因此，基体的淬火温度应选择在1200～1230℃范围内。试验表明，W2Mo9Cr4VCo8材料采用两段预热1220℃淬火的工艺可满足锪孔铰刀的晶粒度要求。

图1 铰刀示意图

2.2 回火工艺分析

2.2.1 回火温度的选择

在进行淬火之后，基体组织处于一种亚稳定的情况，内应力大，奥氏体剩余量增多。假如省略回火操作，基体中隐性裂纹就会产生，不稳定因素增多。为了增加组织为应力，提高基体的稳定性，使得其硬度和红硬性等性能增高，淬火后需要马上对基体进行回火处理。该回火处理达到了二次硬化的结果，该技术使得某些存在于固溶体中的元素在温度允许的范围内以碳化物的形式以晶体的形式析出，形成细小颗粒，这些细小颗粒的沉淀会形成二次硬化。

在温度变为200℃～300℃时，残余奥氏体会逐渐朝向下贝氏体的方向转变。在温度变为300℃～500℃时，会产生回火托氏体，它的可塑性极强，弹性高。在温度变为500℃～600℃时，析出的碳化物会使得组织产生弥散硬化。在进行回火时，碳含量会大大下降，基体中合金的含量也较之前减少，这在一定程度上使得转变的温度上升。在后续的冷却操作中，其会进一步变回回火马氏体。而0℃～550℃进行回火时，珠光体会发生系列转变，硬度会降低。综合多方面考虑，进行回火的最高温度是550℃。

2.2.2 回火次数及保温时间的选择

基体中存在的合金元素会导致过冷奥氏体C曲线向右方移动，这在一定程度上会导致马氏体的转变温度有所下降。在其他条件不变的情况下，冷奥氏体的稳定性会得到进一步提升，这一操作也使得奥氏体剩余量的含量大大增加，需要进行多次回火才能将奥氏体剩余量的含量降低。在通常情况下，奥氏体三次回火之后的剩余量明显减少。回火次数应当适中，过多会导致碳化物析出过多，过少奥氏体剩余量会增多，高速钢的硬度等得不到保障。

试验时使用了高温回火技术：首先将其放进高温炉内，把炉内温度提升到550℃，保温2小时，再冷却到温度达到300℃，这个过程我们称之为一个回火周期，二次回火指重复该操作一次，三次回火指重复该操作两次，以此类推。

在560℃进行回火时，马氏体会再次转变为回火马氏体，奥氏体中的合金碳化物也会随温度的改变不断析出，这会使得基体中碳元素的含量降低，Ms点上升，由于未能冷却到Mz，回火后奥氏体不能完全消除。第一次回火的结果为回火马氏体+淬火马氏体+残余奥氏体。第二次回火是对第一次回火时形成的淬火马氏体进行回火，碳化物会被持续析出，Ms点升高，冷却后得到淬火马氏体和少数奥氏体剩余，所以，高速钢需要进行多次回火来提高其精度和韧性。

2.2.3 回火次数对残余奥氏体的影响

为了确定回火次数对奥氏体剩余量是否有影响，我们对淬火后不同回火次数对残余奥氏体及硬度进行了对比，在进行淬火后基体组织中含有马氏体和奥氏体，还有从奥氏体中析出的共晶碳化物VC 及少量二次碳化物Mo2C。表2是淬火后不同回火次数对残余奥氏体及硬度平均值对比

表2 淬火后不同回火次数对残余奥氏体及硬度对比

通过对淬火后不同回火次数对残余奥氏体及硬度结果进行对比，我们发现经过三次或者四次回火，奥氏体剩余量几乎下降为零。我们在550℃的情况下，保温2个小时，再进行回火1次时，基体组织中含有奥氏体剩余量处于较高水平，尽管合金碳化物的含量没有到达峰值，但是高速钢的硬度仍然处于较高水平，这表明使用该种方式进行处理，合金碳化物体积和基体组织均未呈现明显增大。在晶体析出的过程中，部分合金以碳化物的形式存在于基体中，这在异地狗程度上起到了弥散硬化的作；另一部分合金元素在基体中起固溶强化的作用，增强基体表面的硬度。

在淬火温度为1220℃的情况下，温度在对碳化物含量和基体硬度方面呈现出显著的正向影响，为了确保集体的硬度达到极限，我们应该选择550℃的回火温度，保温时间在对碳化物含量和基体硬度方面呈现出显著的正向影响，作用仅次于温度；保温次数是影响奥氏体剩余量的主要因素。所以，1220℃油淬的W2Mo9Cr4VCo8铰刀最优的处理方式实在550℃的情况下，保温2个小时，再进行回火3次。通过3次回火后奥氏体剩余量较少且析出的晶体体积小，硬度能够达到66.5～67.5HRC，在综合力学性能方面表现良好。

3 结论

本文通过对W2Mo9Cr4VCo8铰刀热处理工艺进行了探讨，系统地分析了了高速钢真空热处理在淬火温度、回火次数不同的情况下对组织和性能的影响，通过对比分析选取了适合于该类零件真空热处理的最佳工艺参数。