高速钢W6Mo5Cr4V2回火温度与硬度的曲线拟合分析

下半月出版

Ｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｈｅａｔ

Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ§材料热处理技术

高速钢Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２回火温度与硬度的

曲线拟合分析

余际星，倪晓臣，程远存，卢星星

（武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉４３００７０）

摘要：利用同温回火试验，获得高速钢Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２在不同条件下的回火硬度数据。采用牛顿插值拟合法，得到Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２钢回火温度与回火硬度的函数关系式。该关系式不仅解释了钢的回火硬度变化的物理意义，还能方便地预测Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２的回火硬度。有利于回火工艺的设计和优化。

关键词：Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２；牛顿插值拟合；回火

中图分类号：ＴＧｌ４２．７

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—３８１４（２０１０）０４．００４７．０３

Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｎ

ＣｕｒｖｅＦｉｔｔｉｎｇＢｅｔｗｅｅｎＴｅｍｐｅｒｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨａｒｄｎｅｓｓ

ｏｆ

Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２

Ｈｉｇｈ

ＳｐｅｅｄＳｔｅｅｌ

ＹＵＪｉｘｉｎ岛ＮＩＸｉａｏｃｈｅｎ，ＣＨＥＮＧＹｕａｎｃｕｎ，ＬＵＸｉｎｇｘｉｎｇ

（ｓｃｈｏｏｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄａｍｓ

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Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ‰茹ｅｒｓ睁ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

ｔｅｓｔｓ．

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ｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｓｔｅｅｌ．

Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２；Ｎｅｗｔｏｎｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅｄｆｉｔｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ

高速钢的合金含量较高，热处理时易形成Ｍ疋型金属碳化物，与淬火组织（淬火马氏体，残余奥氏体）共同影响材料的力学性能。为稳定组织、减少或消除淬火应力，使材料具有良好的综合力学性能，高速钢在淬火后都需要回火ｆ１】。Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２钢（简称６５４２钢，下同）在回火过程中，最主要的组织变化是马氏体相性质和形态的变化、碳化物的析出以及残余奥化体的转变等。已有文献证明二次硬化主要源自前两项的贡献闭。然而，二次硬化效果受碳化物的结构及弥散程度、原子扩散、基体强度等多种因素影响，十分复杂。迄今为止，由于其超显微的几何尺度特征（数十纳米），研究十分困难，组织转变细节未完全确定［３１。因而人们对高速钢回火温度与硬度的变化趋势也较模糊。本文对６５４２钢进行热处理试验。应用同温回火方法（多次同一温度回火）获得６５４２

钢在不同条件下回火硬度数据。并对比已有典型工艺数据，采用牛顿插值法进行数据拟合处理，建立了６５４２钢回火温度与硬度关系的拟合函数关系式。应用此关系式研究和预测６５４２钢的回火温度与回火硬度变化关系和材料的组织转变。同时。本文也对该工艺曲线所反映的材料组织变化机理进行了分析。

１实验材料和热处理

实验用６５４２钢由某合金厂提供。其主要化学成分（质量分数，％）为：０．９２Ｃ，５．８０Ｗ，４．８０Ｍｏ，４２０Ｃｒ，１．８０Ｖ，０．３０Ｓｉ，０．２８Ｍｎ，０．０３１Ｓ，０．０３０Ｐ，余为Ｆｅ。

试样呈台阶轴状，最小直径为１６ｍｍ，分成Ｌ、Ｍ和Ｓ三组。Ｌ组试样进行１１８０℃油淬，Ｍ组进行１２２５℃油淬．淬火用ＷＺＣ．３０型真空炉完成。淬火后进行回火处理。分别在５１５、５５０、５８５和６２０℃进行３次保温ｌｈ的回火处理，用５ｋＷ井式电阻炉完

收稿日期：２００９－０７．２８

作者简介：余际星（１９５７一），男，湖南醴陵人，副教授；主要从事材料成形

工艺和金属性能的研究：电话：１３２０７１００４７１；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｊｉｘｉｎｇ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．∞

成。硬度用ＨＲ一１５０Ａ型洛氏硬度计测量，每件试样打５个点，取平均值。Ｓ组为对照组．热处理工艺为１２２０℃油淬＋３次回火，数据取自常规热处理规范嗍

４７

《热加工工艺》２０１０年第３９卷第０４期

材料热处理技术。Ｍａｔｅ—ａ１＆Ｈｅａｔ

ＴｒｅａｔＩｌｌｅｎｔ

２０１０年２月

和手册闱。Ｓ组回火温度与Ｌ和Ｍ组不同，但拟合曲线形态相同，可作为比较对象。３组试样回火硬度参见表ｌ。

表ｌ

Ｔａｂ．１

Ｒ（Ｔ）Ｌ＝６３＋Ｏ．０５４２８５７１４（Ｔ－５１５）

一０．００ｌｌ０

２０４（Ｔ－５１５）（Ｔ－５５０）

８８７（Ｔ－５１５）（ｒ－５５０）（ｒ－５８５）

（１）

－０．０００００３

Ｌ组．Ｍ组和Ｓ组试样硬度牛顿插值均差表

Ｔｈｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｎｅｓｓｏｆ

ａｎｄＳｇｒｏｕｐ

尺ｆＴ）Ｍ＝６４．６＋０．０５１４２８５７１（Ｔ－５１５）

一０．００ｌ

Ｌ．Ｍ

１４２８５７（／＇－５１５）（７－５５０）

（２）

５７１

淬火温回火温

度厂ｃ

度／℃

５１５

硬度

一０．０００００２７２１（Ｔ－５１５ＸＴ－５５０ｘ弘５８５）

一阶均差

二阶均差

ｉ阶均差

（ＨＲＣ）

６３．０６４．９６４．１５９．６

ＲｆＴ）ｓ＝６３＋０．０５３

４２８（Ｔ－４８２）

（３）

一０．００１３１８

０．０５４

２８５７１４

９９３（Ｔ－４８２）（Ｔ－５３８１６０２（Ｔ－４８２）（Ｔ－５３８）（Ｔ－５７０）

１１８０℃

５５０５８５６２０５１５

—０．０００００９

（Ｌ组）

—０．０２２８５７１４２．Ｏ．ＯＯｌ１０２０４

一Ｏ．１２８５７ｌ４２８．Ｏ．００１５１０２０４．０．０００００３８８７

式中，ｒ为回火温度（℃）；尺（乃为回火硬度（ＨＲＣ）。

根据Ｌ组和Ｍ组拟合函数【式（１）、式（２）］建立拟合曲线如图１所示。６５４２钢对照组（Ｓ组）牛顿拟合曲线如图２所示。

６７

６４．６

６６．４６５．４６０．９６３．Ｏ６６．０６４．０６０．９

０．０５３５７ｌ４２８

＿０．０６２５—０．０６２

．０．００１３１８９９３０．０００００６０９７

０．０００００９６０２

０．０５１４２８５７ｌ

－０．０２８５７ｌ４２８．Ｏ．ＯＯｌ１４２８５７

．Ｏ．１２８５７ｌ４２８．Ｏ．ｏｏｌ４２８５７ｌ一０．０００００２７２ｌ

１２２５℃

５５０５８５６２０４８２

（Ｍ组）

６６

基６５

１２２０℃

５３８５７０６２０

蚩６４

醚６３

６２

（Ｓ组）

６１６０

２实验数据拟合函数和拟合曲线

Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２钢淬火后，在５００～６００℃回火。从马氏体和残余奥氏体中析出碳化物。回火温度不同，析出碳化物的类型和含量也不相同。有研究表明［４１，６５４２钢在５００℃以下温度回火均生成Ｍ，Ｃ型金属碳化物，在６５０℃生成的金属碳化物类型为Ｍ２Ｃ＋ＭＣ：在５００～６００℃产生二次硬化效应的金属碳化物因其尺寸细小，不能用粉末Ｘ射线法确定其类型．但可以推测该温度区间碳化物的类型应为Ｍ３Ｃ＋Ｍ２Ｃ＋ＭＣ；换言之，６５４２钢在５００＂＂６００℃回火后达到高硬度是ｉ种碳化物含量不同配比的综合效应。

碳化物类型和含量与成分、温度、加热时间等有关，从微观组织和数量分布中寻找性能较好、成分相近的材料。因此，利用牛顿插值法将离散的试验点数据进行拟合，生成函数式。６５４２钢成分由杠杆原理建立动态平衡方程；由表１所示的硬度值分布规律，拟建立一个三次方程表达回火硬度与温度之间的函数关系，精度满足要求。Ｌ组、Ｍ组和Ｓ组由牛顿插值法ｆ６】建立的硬度一温度函数式插值表也列入表ｌ。

由表１得拟合函数，式（１）、式（２）和式（３）分别为Ｌ组、Ｍ组和Ｓ组的拟合函数：

４８

５９

回火温度／℃

图ｌ

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇ

Ｌ组和Ｍ组的拟合曲线

ｃｕｒｖｅｓｏｆＬａｎｄＭｇｒｏｕｐ

回火温度／＇１２

图２对照组（Ｓ组）拟合曲线

Ｆｉｇ．２

Ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇ

ｃａｌｖｅ

ｏｆＳ

ｇｒｏｕｐ

３拟合函数和曲线的分析与讨论

３．１

ｌ旦Ｊ火硬度嶂值及对应温度的导出

求各组回火硬度峰值及对应温度。对式（１）、（２）

和（３）分别求导，令其导数等于零，得各组回火硬度峰值尺（Ｄ

ｚ

Ｔｐ酬。及峰值对应温度ｋ。

㈣

（５）～

Ｌ组ｆ窆蠹篙Ｋ’

Ｍ组ｆ兰‘乃ｌ＝兰：‘ＨＲｃ）【‰＝５５６（℃）

Ｈｏｔ

ＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

２０１０，Ｖ０１．３９，Ｎｏ．０４

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ｓ组掣＿５２ｒ端４＝（６℃６．）３呲ｑ

３．２拟合曲线的差异分析

（６）

钢回火温度区间为５５０～５７０℃。由式（５）可知，Ｍ组

组的ｋ５２４。Ｃ，比推荐回火温度低约３０。Ｃ。为获

验，与本文同温回火有一定差别，即，等温回火升温速度缓慢，保温时间长。在工业生产中，为缩短回火时间，多采用热炉进料或提高升温速度，以提高生产率。但升温速度过快或提高回火温度，会造成晶粒长大，反而对材料硬度不利。可从图４的Ｍ组曲线看

的％棚庐５６５℃，符合生产实际情况。由式（６）可知，ｓ

图ｌ中的Ｌ组和Ｍ组温度一硬度曲线形态基体相同（见图３），二者主要差异是硬度值。６５４２钢中大量的金属碳化物随淬火温度的上升。溶解量随之增

得６５４２钢的精确数据，文献［５－６］采用等温回火方法试

加。Ｃｒ碳化物Ｃ啦ｏ（Ｍ２３Ｃ。型）在１１００℃几乎全部溶

解，钨、钼的碳化物（Ｆｅ。ｗ２）ｃ或（ＦｅａＭ０２）Ｃ（Ｍ６Ｃ型）在１０４０℃以上才明显溶于奥氏体中，钒碳化物ＶＣ（ＭＣ型）稳定性强，溶解速度较Ｍ６Ｃ型慢，钨、钒碳化物即使加热到接近晶界熔化温度也仍有一部分未溶碳化物保留下来［７１。Ｗ、Ｍｏ及Ｖ的碳化物只有在１２００℃以上才能大量地溶于奥氏体中。随金属碳化物的逐渐溶解，奥氏体基体的合金度也逐渐增高。淬火后，马氏体中的碳与合金元素的过饱和度增大．回火时，弥散析出大量的碳化物，使高速钢产生显著的二次硬化效果。Ｃ与Ｗ、Ｍｏ和Ｖ形成足够的碳化物能有效地提高Ｗ６ＩＶｌｏ，Ｃｒ４ｖ：的硬度、耐磨性及红硬性。这是导致Ｍ组曲线与Ｌ组曲线差异的主要原因。

出，Ｍ组曲线在峰值后，随温度的上升，６５４２钢硬度迅速降低。

Ｓ组的等温回火，虽过程缓慢．但有利于碳化物从马氏体及残余奥氏体中充分析出。能促进二次硬化效应的发展。最为重要的是，等温回火所获硬度和对应温度数据真实反映了材料组织变化。４

结论

（１）采用牛顿插值法拟合了６５４２钢回火温度

与硬度的关系，式（１）和式（２）与６５４２钢实际热处理情况吻合。牛顿插值拟合函数曲线直观地反映了６５４２钢回火温度对材料性能的影响。

（２）淬火温度对高速钢的最大硬度有较显著影响。Ｃ和Ｗ、Ｍｏ、Ｖ形成的合金碳化物在１２００℃才能大量溶人奥氏体。金属碳化物的含量极大地影响着高速钢回火后的最大硬度值。当淬火温度高于

回火温厦／℃

１２００℃、回火温度为５６５℃时．可获得最大回火硬度。

图３

Ｆｉｇ．３

Ｌ，Ｍ组拟合曲线对比图

ｐａｔｔｅｍｂｅｔｗｅｅｎｓａｍｐｌｅＬａｎｄＭｇｒｏｕｐ

Ｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ

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ｔｉｅｓ

ｏｆ

Ｍ组、Ｓ组硬度曲线如图４所示，Ｍ组与Ｓ组淬火温度接近，回火硬度峰值也相近，但两者硬度峰值对应温度相差３２℃。许多工艺指导手册推荐高速

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Ｆｉｇ．４

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