深冷处理时间对M2高速钢红硬性的影响

doi:10.11901/1005.3093.2020.176

深冷处理时间对M2高速钢红硬性的影响

段元满¹, 朱丽慧^,¹, 吴晓春¹, 顾炳福²

1.上海大学材料科学与工程学院上海 200444

2.江苏省福达特种钢有限公司扬中 212200

Effect of Deep Cryogenic Treatment Time on Red Hardness of M2 High Speed Steel

DUAN Yuanman¹, ZHU Lihui^,¹, WU Xiaochun¹, GU Bingfu²

1.School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China

2.Jiangsu Fuda Special Steel Co, Ltd, Yangzhong 212200, China

通讯作者: 朱丽慧，教授，lhzhu@i.shu.edu.cn，研究方向为耐热钢及高性能刀具材料

收稿日期: 2020-05-20 修回日期: 2020-07-27 网络出版日期: 2021-01-26

基金资助:

国家重点研发计划. 2016YFB0300403

2017年镇江“金山英才”计划,2018年“江苏省高层次创新创业人才引进计划资助”

Corresponding authors: ZHU Lihui, Tel: 13564632476, E-mail:lhzhu@i.shu.edu.cn

Received: 2020-05-20 Revised: 2020-07-27 Online: 2021-01-26

作者简介 About authors

段元满，男，1994年生，硕士生

摘要

使用洛氏硬度计、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等手段研究了深冷处理时间对M2高速钢的硬度和红硬性的影响及其机理。结果表明：深冷处理提高了M2钢的室温硬度和红硬性，深冷12 h使650℃红硬性的改善最显著。随着深冷时间的延长残余奥氏体含量不断降低，其形貌由长条形块状转变为薄膜状分布在马氏体板条间；马氏体轴比和碳含量逐渐降低，孪晶马氏体细化；初生碳化物偏聚减少，析出的二次碳化物数量逐渐增多。二次碳化物数量的增多不仅使析出强化作用增强，还能抑制高温下马氏体的分解。同时，残余奥氏体向马氏体的进一步转变以及孪晶马氏体的细化，对室温硬度的提高和红硬性的改善也有一定的作用。

关键词： 金属材料 ; M2高速钢 ; 深冷处理 ; 红硬性 ; 显微组织 ; 碳化物

Abstract

The effect of deep cryogenic treatment time on the room temperature hardness and red hardness of M2 high speed steel was investigated by means of Rockwell hardness tester, X-ray diffractometer, scanning electron microscope and transmission electron microscope. The results show that the room-temperature hardness and red hardness of M2 steel were improved by deep cryogenic treatment, and the red hardness at 650℃ was improved most significantly after deep cryogenic treatment for 12 hours. With the increasing deep cryogenic time, the amount of retained austenite decreased, the shape of retained austenite between martensitic laths changed from strip-like to film-like, the axial ratio and carbon content of martensite decreased gradually, and twin martensite was thinned; the segregation of primary carbides alleviated, and the amount of secondary carbides increased. The increase in the amount of secondary carbides can enhance the precipitation strengthening, and inhibit the decomposition of martensite at high temperatures. In addition, the further transformation of retained austenite to martensite and the thinning of twin martensite also favor the enhancement of room-temperature hardness and red hardness.

Keywords： metallic materials ; M2 high speed steel ; deep cryogenic treatment ; red hardness ; microstructure ; carbide

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本文引用格式

段元满, 朱丽慧, 吴晓春, 顾炳福. 深冷处理时间对M2高速钢红硬性的影响. 材料研究学报[J], 2021, 35(1): 17-24 DOI:10.11901/1005.3093.2020.176

DUAN Yuanman, ZHU Lihui, WU Xiaochun, GU Bingfu. Effect of Deep Cryogenic Treatment Time on Red Hardness of M2 High Speed Steel. Chinese Journal of Materials Research[J], 2021, 35(1): 17-24 DOI:10.11901/1005.3093.2020.176

富含W、Mo、V等合金元素的M2(W6Mo5Cr4V2)高速钢具有良好的红硬性和耐磨性，可用于制造车刀、钻头等切削刀具以及精密冷作模具^[1~3]。随着切削加工技术的发展，对刀具的质量和性能的要求越来越高。深冷处理能促进残余奥氏体向马氏体的转变、弥散碳化物的析出以及基体组织的细化，使材料的硬度、韧性和耐磨性提高，是延长工具使用寿命的重要手段^[4~8]。深冷处理的设备简单、成本低、不消耗能源且无污染，受到极大的关注。

J.Y. Huang等^[9]的研究结果表明，深冷处理不仅能促使M2钢中碳化物的形成和增加碳化物的数量，还能使碳化物在马氏体基体上的分布更加均匀，提高M2高速钢的耐磨性。Gill等^[10]认为，深冷处理可降低残余奥氏体的含量、析出细小且均匀分布的二次碳化物从而提高M2高速钢的磨损性能。艾峥嵘等^[11]对M2高速钢的研究发现，经循环深冷处理试样的性能优于一次长时间深冷处理试样，在-150℃经3次1 h深冷处理试样的性能最优。高速钢刀具切削加工工件时的温升可达500~650℃，使刀具的硬度下降。高速钢的红硬性表征其在高温保持高硬度的能力，也是高速钢的重要性能指标。良好的红硬性可使刀具在服役过程中保持较高的硬度，延长使用寿命。吕雁文等^[12]研究了不同深冷工艺对M2高速钢红硬性的影响，认为深冷时间对红硬性的影响最大。虽然目前关于深冷处理对高速钢的力学性能及组织结构的影响研究较多，但是对M2高速钢红硬性的研究较少，特别是关于深冷处理时间对M2高速钢红硬性的的影响及其机理。本文重点研究深冷处理时间对M2高速钢红硬性的影响及其机理。

1 实验方法

实验用退火态M2高速钢棒材的直径为100 mm，化学成分列于表1。

表1 M2高速钢的化学成分 (%，质量分数)

Table 1 Chemical composition of M2 high speed steel (%, mass fraction)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	W	V	Fe
0.850	0.228	0.280	0.067	0.020	4.340	5.370	6.380	2.100	Bal.

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将尺寸为15 mm×15 mm×20 mm的试样进行淬火处理：先加热到600℃保温20 min，再加热到800℃保温10 min，最后加热到1200℃保温6 min后油冷。将淬火态试样在200℃退火1 h以除去应力。深冷处理在液氮(-196℃)中进行，保温时间分别为1、4、8和12 h。深冷处理结束后，将试样迅速取出置于空气中使其温度恢复到室温。

使用HD9-45型布洛维光学硬度计测试未深冷和深冷不同时间试样的室温洛氏硬度。将试样分别在600℃、625℃和650℃保温4 h后空冷至室温并去掉表面氧化皮，然后测试其硬度(红硬性)。每个样品的硬度，为5次测量结果的平均值。

使用Zeiss Super-40热场发射扫描电子显微镜和JEM 2010F透射电子显微镜观察M2高速钢的显微组织。使用Rigaku D/MAX2500型X射线衍射仪测定残余奥氏体的含量，2θ的范围为30°~100°。用电解法萃取未深冷和深冷不同时间试样中的碳化物，将萃取出的碳化物粉末静置、离心、烘干后称重，并采用Rigaku D/MAX2500分析碳化物的类型。钢中碳化物的含量为

W_{c} = \frac{m_{c}}{m_{0} - m_{t}} \times 100 %

(1)

式中 $m_{c}$ 为萃取出的碳化物质量， $m_{0}$ 和 $m_{t}$ 分别为萃取前和萃取后的试样的质量。

2 实验结果和分析

2.1 深冷时间对硬度和红硬性的影响

图1a给出了深冷不同时间的M2高速钢的洛氏硬度。可以看出，深冷处理提高了M2钢的室温硬度。随着深冷时间的延长硬度逐渐升高，但是提高的幅度不大。深冷保温至12 h的硬度达到63.3HRC，比未深冷试样的硬度提高了1.6HRC。

图1

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图1 深冷不同时间M2高速钢的硬度和红硬性

Fig.1 Hardness (a) and red hardness (b) of M2 high speed steel after deep cryogenic for different time

在600℃、625℃、650℃保温4 h后，M2钢的硬度均有不同程度的降低，如图1b所示。在600℃保温，硬度仍在61HRC以上，且具有较好的红硬性。但是，随着红硬性试验温度的升高M2钢的硬度大幅度降低。深冷处理的试样在600~650℃保温后硬度有所下降，但是仍高于未深冷试样，表明深冷处理有利于提高M2钢的红硬性。随着深冷时间的延长，深冷处理提高M2钢红硬性的作用更为突出。深冷时间越长硬度下降的幅度越小，尤其是M2钢在650℃保温后的红硬性。

2.2 深冷时间对显微组织的影响

图2给出了深冷不同时间的M2高速钢的SEM照片。由图2可见，经深冷处理的试样其中马氏体板条的形貌特征明显。未深冷的试样除了含有少量尺寸为1~2 μm的大尺寸初生碳化物外，还有一些尺寸为0.5~1 μm的小尺寸初生碳化物。深冷处理增加了尺寸小于1 μm的碳化物数量，尤其是二次碳化物(<0.5 μm，圆圈标记)的增加更明显。使用Image-pro plus软件统计碳化物，结果列于表2。深冷处理促进了初生碳化物的分解，使大尺寸的初生碳化物数量减少，小尺寸初生碳化物数量增多。深冷处理还促进了二次碳化物的析出，且随着深冷时间的延长二次碳化物的数量增多。

图2

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图2 深冷不同时间后M2高速钢的SEM照片

Fig.2 SEM images of M2 high speed steel after deep cryogenic for 0 h (a), 1 h (b), 4 h (c), 8 h (d) and 12 h (e)

表2 深冷不同时间的M2高速钢中碳化物的尺寸分布

Table 2 Classification of carbides on the basis of size in M2 high speed steel under different deep cryogenic time

Cryogenic time	Total N_carbide/mm^-2	Classification of carbides on the basis of size (N_carbide)/mm^-2
Cryogenic time	Total N_carbide/mm^-2	0~0.5 μm	0.5~1 μm	1~1.5 μm	1.5~2 μm
0 h	413	206	117	80	10
1 h	1201	944	223	33	1
4 h	1951	1694	225	31	1
8 h	2517	2169	324	24	0
12 h	2709	2356	329	23	1

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图3给出了深冷处理后M2高速钢显微组织的TEM形貌。可以看出，深冷处理后的M2高速钢中出现平行排布的孪晶马氏体。其原因是，残余奥氏体的层错能低，深冷过程中的急冷使晶格收缩使堆垛面滑移，产生了微细孪晶亚结构^[13]。从图3a、b可见，在深冷1 h和12 h的试样中孪晶马氏体的宽度由100~200 nm变为20~40 nm。这表明，随着深冷时间的延长马氏体孪晶亚结构发生了明显的细化。

图3

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图3 深冷处理不同时间M2高速钢的TEM形貌

Fig.3 TEM images of M2 high speed steel after deep cryogenic treatment for 1 h (a) and 12 h (b)

2.3 深冷时间对残余奥氏体含量和形貌的影响

图4给出了深冷不同时间的M2高速钢的XRD谱。可以看出，经过深冷处理的M2钢的奥氏体峰变弱，马氏体峰变强；随着深冷时间的延长马氏体衍射峰逐渐向大角度方向偏移，奥氏体与马氏体的衍射峰强度比值不断下降。

图4

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图4 深冷不同时间M2高速钢的XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of M2 high speed steel after deep cryogenic for different time

根据国标GB/T 8362-1987《钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法》^[14]，M2钢中残余奥氏体的含量为

V_{A} = \frac{1 - V_{C}}{1 + G \frac{I_{M {(h k l)}_{i}}}{I_{A {(h k l)}_{j}}}} \times 100 %

(2)

式中V_c为碳化物相总量的体积分数，I_M(hkl)_i为马氏体晶面衍射线的累积强度，I_A(hkl)_j为奥氏体晶面衍射线的累积强度，G为奥氏体(hkl)_j晶面与马氏体(hkl)_i晶面所对应的强度有关因子之比。奥氏体含量的计算结果，列于表3。可以看出，深冷处理促使M2高速钢中的残余奥氏体转变为马氏体，且随深冷时间延长残余奥氏体含量不断下降，但是转变率降低。

表3 不同深冷时间下M2高速钢中的残余奥氏体含量

Table 3 Retained austenite amount in M2 high speed steel under different deep cryogenic time

Cryogenic time/h	0	1	4	8	12
Austenite amount/%	21.3	13.2	8.9	7.5	5.6

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图5、6分别给出了深冷1 h和12 h的M2钢中残余奥氏体的TEM形貌。可以看出，深冷处理1 h后残余奥氏体较多，一般呈长条形块状分布在马氏体附近。深冷时间延长到12 h残余奥氏体减少，长条形块状奥氏体被新生马氏体分割而呈薄膜状分布在马氏体板条间。

图5

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图5 M2高速钢深冷1 h后的残余奥氏体的明场像、暗场像和电子衍射花样

Fig.5 Morphology of retained austenite in M2 high speed steel after deep cryogenic treatment for 1 h (a) bright field image; (b) dark field image and electron diffraction pattern

图6

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图6 M2高速钢深冷12 h后残余奥氏体的明场像、暗场像和电子衍射花样

Fig.6 Morphology of retained austenite in M2 high speed steel after deep cryogenic treatment for 12 h (a) bright field image; (b) dark field image and electron diffraction pattern

2.4 深冷不同时间的M2高速钢中马氏体的轴比和含碳量

图7给出了深冷不同时间的M2高速钢中马氏体(211)衍射峰的拟合图。可以看出，深冷1 h后M(211)晶面的2θ由81.48°偏向到81.51°。随着深冷时间的延长,马氏体(211)晶面的2θ增大。深冷12 h后，M(211)晶面的2θ偏向到81.65°。2θ的增大表明，深冷处理后马氏体中的碳含量发生了变化。

图7

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图7 深冷不同时间的M2高速钢M(211)峰的高斯拟合图

Fig.7 XRD spectrum of M (211) after Gaussian fitting of M2 high speed steel after deep cryogenic for different time

在深冷不同时间的M2高速钢中，马氏体中的碳含量为^[15]

p = \frac{c - a}{0.129}

(3)

式中 $a = \sqrt[]{2} d_{(110)}$ 、 $c = \frac{2 d_{(110)} d_{(211)}}{\sqrt[]{2 {d^{2}}_{(110)} - 5 {d^{2}}_{(211)}}}$ 为马氏体晶格常数。深冷不同时间的M2高速钢中马氏体中含碳量的计算结果，如表4所示。由表4可见，深冷处理后马氏体的轴比和碳含量降低，表明在低温下马氏体晶格收缩。随着深冷时间的延长马氏体轴比和碳含量逐渐降低,晶格收缩的程度更高。

表4 不同深冷时间下M2高速钢中的马氏体轴比和含碳量

Table 4 The axial ratio and carbon content of martensite in M2 high speed steel under different deep cryogenic time

Cryogenic time/h	0	1	4	8	12
Martensitic axial ratio	1.032	1.028	1.025	1.024	1.022
Carbon content /%	0.97	0.92	0.85	0.81	0.77

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2.5 深冷时间对碳化物含量和类型的影响

深冷不同时间的M2高速钢中碳化物含量的计算结果，如图8a所示。深冷处理后碳化物的总含量明显提高，且随深冷时间的延长而逐渐提高。深冷前后碳化物主要为M₆C型和MC型，以M₆C型为主。如图8b所示，随着深冷时间的延长MC型碳化物的衍射峰强度逐渐增大，尤其是深冷12 h更为明显。在深冷1 h和12 h的试样中M₆C型和MC型碳化物的衍射峰累积强度比值分别为1:0.14和1:0.35。这表明，深冷处理促进了MC型碳化物的析出，且延长深冷时间有利于析出更多的MC型碳化物。

图8

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图8 深冷时间对M2高速钢中碳化物含量的影响和碳化物的XRD图谱

Fig.8 Effect of deep cryogenic time on amount of carbides (a) and XRD patterns of carbides (b) in M2 high speed steel

对深冷12 h试样中析出的二次碳化物的进一步TEM观察发现，除了尺寸较大的球状二次碳化物外，还有少量尺寸为几十纳米左右的细小碳化物(图9箭头)。EDS能谱分析结果表明，图9中点P处的碳化物富含W和Mo，属于M₆C型二次碳化物。

图9

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图9 深冷12 h后M2高速钢中二次碳化物形貌和EDS能谱

Fig.9 Morphology and EDS spectrum of secondary carbides in M2 high speed steel after deep cryogenic for 12 h

3 讨论

综上所述，深冷处理后残余奥氏体大量减少，马氏体轴比及碳含量下降，碳化物数量增多。随着深冷时间的延长残余奥氏体含量不断下降，其形貌由长条形块状转变为薄膜状分布在马氏体板条间；马氏体轴比和碳含量逐渐降低，孪晶马氏体细化；初生碳化物偏聚减少，析出的二次碳化物数量逐渐增多。在深冷处理过程中，马氏体晶格收缩使碳原子在应力的作用下向相邻的残余奥氏体边界扩散和偏聚，使部分残余奥氏体转变为马氏体^[16,17]；同时，马氏体的晶格收缩和热力学不稳定性驱动碳原子和合金元素向缺陷处偏聚^[18]。尽管在低温下碳原子和合金元素活性较低、扩散困难且运动距离短，但是在随后的回温过程中原子的活性升高使偏聚在缺陷处的碳原子和合金元素会在应力作用下移动，最终以弥散细小的碳化物形式析出^{[19, 20]}。碳化物的析出，进一步使马氏体碳的含量的下降。深冷时间越长马氏体晶格的收缩程度越大，产生的微观内应力越大，使残余奥氏体进一步向马氏体转变。同时，碳原子和合金元素在缺陷处的偏聚程度也随之提高，在马氏体基体上析出更多弥散细小的碳化物。这些弥散细小的碳化物钉扎位错的作用更强，从而使基体组织细化。

深冷处理后，马氏体碳含量的下降使基体的硬度降低。但是，在深冷处理过程中残余奥氏体转变为马氏体是基体组织强化；同时，深冷处理使二次碳化物的弥散析出，析出强化作用增强。因此，在综合作用下深冷处理后的M2高速钢的室温硬度有所提高。随着深冷时间的延长残余奥氏体进一步转变为马氏体、析出更多的二次碳化物以及孪晶马氏体发生细化，使M2钢的硬度逐渐提高，但是残余奥氏体转变率和马氏体碳含量的降低引起的M2钢硬度提高的幅度不大。

M2高速钢在600~650℃保温4 h，马氏体的分解使基体的硬度降低。红硬性试验温度越高马氏体的分解越严重，M2钢硬度下降的幅度越大，红硬性变得更差。深冷处理后碳化物的析出对M2高速钢保持高温硬度有重要的作用。深冷处理使初生的大尺寸碳化物数量减少、小尺寸的初生碳化物数量增多，大尺寸碳化物偏聚的减少降低了对基体强度损害的程度。尤为重要的是，深冷处理不仅析出了数量多、尺寸小的M₆C型二次碳化物，还析出一些纳米级碳化物。这些碳化物，增强了析出强化效果。同时，深冷处理还促进了MC型碳化物的析出，MC型碳化物(2010HV)比M₆C型(1200HV)的硬度更高^[21]，其析出强化作用更好。碳化物的析出还抑制了高温下马氏体的分解。此外，深冷处理促进了残余奥氏体向马氏体的转变，且孪晶马氏体的细化进一步强化了基体组织。因此，深冷处理后M2钢的红硬性有所提高。随着深冷时间的延长二次碳化物的数量增多，不仅高温下的析出强化作用更大，而且有利于抑制高温下马氏体的分解。因此，深冷处理时间对红硬性的影响在650℃保温时更显著。此外，残余奥氏体向马氏体的进一步转变以及孪晶马氏体的细化，对红硬性的改善也有一定的作用。在本实验中，深冷12 h后M2钢的红硬性最好。

由此可见，延长深冷处理时间有利于促进残余奥氏体向马氏体转变、二次碳化物的析出以及孪晶马氏体的细化，进而提高M2高速钢的硬度及红硬性。本文的实验结果还表明，经长时间深冷后M2钢中的残余奥氏体以薄膜状分布于马氏体板条间，有利于松弛马氏体组织受到的形变应力、阻止裂纹在马氏体板条间的扩展、减小板条间位错前端的应力集中、提高M2高速钢的韧性和延长其使用寿命^[22,23]。

4 结论

(1) 随着深冷时间的延长，M2钢中的残余奥氏体含量降低，形貌由长条形块状转变为薄膜状分布在马氏体板条间，马氏体轴比及碳含量逐渐降低且孪晶马氏体细化，初生碳化物偏聚减少而析出的二次碳化物数量逐渐增多。

(2) 深冷处理使M2钢的室温硬度提高，深冷12 h其硬度比未深冷试样提高1.6HRC。深冷处理后马氏体碳含量的降低使基体的硬度降低，但是在深冷处理过程中残余奥氏体转变为马氏体、析出二次碳化物以及孪晶马氏体发生细化的综合作用，使深冷处理后M2高速钢的室温硬度有所提高且随深冷时间的延长而进一步提高。

(3) 深冷处理有利于改善M2钢的红硬性。深冷处理后初生碳化物偏聚减少、析出更多弥散细小的二次碳化物，碳化物的析出不仅增强析出强化作用还能抑制高温下马氏体的分解，对M2高速钢高温下硬度的维持有重要的作用。同时，深冷处理还促进残余奥氏体向马氏体的转变和孪晶马氏体细化，进一步强化基体组织。

(4) 随着深冷时间的延长二次碳化物的数量增多，高温下的析出强化作用增大，有利于抑制高温下马氏体的分解。残余奥氏体向马氏体的进一步转变以及孪晶马氏体的细化，对红硬性的改善也有一定的作用。深冷12 h使M2钢的650℃红硬性的改善最显著。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Zhou

X F

, Zheng

Z X

, Zhang

W C

, et al.

Deformation-induced carbide transformation in M2 high-speed steel

[J]. Metall. Mater. Trans., 2020, 51(2): 568