3Cr2W8V钢形变热处理研究

张家涛，钟 毅，孙淑红，高 鹏，尹建成

(昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明650093)

3Cr2W8V钢形变热处理研究

张家涛，钟 毅，孙淑红，高 鹏，尹建成

(昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明650093)

3Cr2W8V钢广泛应用于有色金属热锻、热挤压和压铸成形.为进一步挖掘3Cr2W8V钢的使用潜力，提高模具材料综合使用性能和使用寿命，本文开展了针对该钢的形变热处理研究，讨论了形变温度、冷却方式及回火温度对试样组织与性能的影响.研究表明高温形变热处理不适宜于3Cr2W8V，形变后水冷优于空冷，并得出组织性能俱佳的优化形变热处理工艺.

3Cr2W8V;形变热处理;形变温度;冷却方式

3Cr2W8V钢(美标H21)是国产钨系高耐热热作模具钢，在500℃以上拥有良好的热硬性、热强性和热稳定性而广泛用作黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模.在温度高于600℃工作条件下3Cr2W8V不能为中耐热型热作模具钢(如4Cr5MoSiV1)替代，因此目前我国3Cr2W8V钢的产量仍相当巨大［1］.由于含有较多的易形成碳化物的铬、钨元素，3Cr2W8V碳化物较多、分布不均匀，冲击韧性和热疲劳抗力较差，易产生龟裂且裂纹扩展速度大，导致工模具寿命不高，尤其是承受冲击荷载条件下，寿命很低［2～4］.常规淬火、回火热处理可一定程度改善碳化物分布并大幅度降低模具早期失效几率，但模具综合使用性能欠佳［5～6］.形变热处理是另一种通过改善材料组织结构提高模具综合使用性能从而提高模具使用寿命的热处理方法.它通过一定方式的形变，利用随后的热处理相变，最终使材料(零件)获得形变强化和相变强化的综合效果，是将压力加工和热处理相结合、使材料性能得到综合提高的工艺方法.这种方法不但能获得一般加工法方达不到的高强度和高韧性的良好组合，而且还能大大简化金属材料或工件的生产工艺过程、节省能源、降低消耗，因而在冶金、机械、航空、航天等领域受到高度重视［7～10］.形变热处理在模具钢生产中的工艺开发和实验研究，相关报道较少，仍处于摸索阶段［11］.本文对3Cr2W8V钢的形变热处理工艺及其对组织、性能的影响进行了研究，得出碳化物分布均匀、硬度符合要求的形变热处理制度，以期为进一步挖掘3Cr2W8V钢使用潜力提供基础.

1 实验

1.1 实验材料

实验所用材料为国产3Cr2W8V钢，其化学成分(wt.%)，如表1所示.

表1 实验用3Cr2W8V钢试样的化学成分(wt.%)

1.2 实验过程

将3Cr2W8V钢棒线切割为6 mm×10 mm× 120 mm试样若干.首先将试样进行退火，然后加热至Ac1以上某一温度奥氏体化后在不同温度下进行形变热处理，最后进行淬火、回火.具体过程如下.

1.2.1 退火

将3Cr2W8V在真空管式炉中加热至860℃并保温2小时，真空度0.1 Pa，充氩气保护.

1.2.2 形变热处理

取退火试样分别进行低温和高温两种形变热处理，具体处理如下:

1)低温形变热处理后空冷:加热到1100℃，保温4～5min中后水冷至500℃，进行形变量为50%的轧制变形，然后空冷到室温.

2)低温形变热处理后水冷:加热到1100℃，保温4～5min中后水冷至500℃左右，进行形变量为50%的轧制变形，最后水冷到室温.

3)高温形变热处理后空冷:加热到1100℃，保温4～5min后空冷5～10s，然后直接进行形变量为50%的轧制变形，最后空冷到室温.

4)高温形变热处理后水冷:加热到1100℃，保温4～5min后空冷5～10s，然后直接进行形变量为50%的轧制变形，最后水冷到室温.

1.2.3 淬火、回火

形变热处理后，将所得样品立即加热到1100℃保温10min，然后油冷淬火.分别在540℃、560℃、580℃、600℃、620℃保温2小时，两次回火，最后在180℃下保温1h补充回火一次.

1.3 硬度测试及组织观察

采用HR150型洛氏硬度计进行硬度测定，所加载荷为150kg;采用OPTON大型万能自动显微镜进行进行观察及拍照.

2 实验结果与分析

2.1 形变热处理试样硬度测试结果

不同处理工艺测得的硬度结果见表2.

2.2 形变热处理后的组织与分析

图1(a)～(d)分别为经低温形变-空冷、低温形变-水冷、高温形变-空冷、高温形变-水冷后试样的金相照片.

试样加热到1 100℃保温4～5min水冷至500℃左右后，进行形变量为50%的轧制处理(低温形变热处理)，最后空冷到室温，其试样微观组织见图1(a).从图1(a)可以看出，基体组织为马氏体，网状碳化物明显，并存在极少量残余奥氏体和少量的颗粒状碳化物，颗粒状碳化物弥散分布在基体内，合金元素的碳化物大量溶解在基体中，奥氏体的合金化程度高，并且有少量强化相均匀析出，采用这种工艺处理后，可显著提高钢的热硬性以及耐回火性，但该组织中二次碳化物呈网状分布，使材料变脆，硬度值较高(53.27HRC)，见表2.

表2 形变热处理试样硬度(HRC)

图1(b)示出了低温形变热处理后水冷试样的微观组织.马氏体基体上均匀分布着大量碳化物并存在少量的残余奥氏体，马氏体为隐晶马氏体，针长小于2级，晶粒度为9～10级;碳化物粒度大，并分布均匀，所以该组织状态下材料的强韧性要高，硬度较高，可初步作为优先考虑工艺.

试样加热到1100℃保温4～5min空冷后高温下进行形变量为50%的轧制处理(高温形变热处理)，空冷到室温后，组织见图1(c)，水冷至室温后的组织见1(d).由图1(c)可看到大块不均匀的合金碳化物，而且图中白色颗粒状共晶碳化物呈链状分布，比较集中，危害较大，硬度偏低(43.35HRC).故该组织对应的形变热处理工艺不宜采用.图1(d)显示的显微组织为隐针和细针状马氏体+极少量的残余奥氏体+大量合金碳化物.马氏体针长小于1级，晶粒度为10～11级，碳化物较多，粒度也比较大，存在脱碳现象和碳化物偏聚现象(见图2)且碳化物呈链状聚集分布，严重影响组织的力学性能，硬度偏低(44.06HRC)，见表2.所以也不宜采用此工艺.

低温形变热处理工艺能得到碳化物分布均匀的组织，高温形变热处理淬火试样不能满足模具钢的基本组织要求，因此H21不可采用高温形变热处理工艺.

图1 不同形变热处理后试样微观组织

图2 高温形变热处理后的不均匀显微组织

2.2 低温形变热处理后的回火组织

图3为试样低温形变热处理、空冷后在540℃、560℃、580℃、600℃及620℃回火显微组织.

图3(a)为540℃回火后的组织，其晶粒较粗大而且不均匀，在晶界上存在很多白色颗粒状碳化物，这些碳化物有时呈链状聚集.图3(b)为560℃回火后的组织，由图可知其回火组织存在大块变形晶粒，并且与图3(a)一样，在晶界上存在很多白色颗粒状共晶碳化物.图3(c)为580℃回火后的组织，其回火组织晶粒尺寸相对均匀，但是碳化物几乎全部在晶界上析出，这将严重影响组织的力学性能，室温硬度偏高(＞53HRC)，并导致该组织没有足够高的热强性［11］.图3(e)为620℃回火后的组织，由图可知，其回火组织的情况与前面几种试样组织一样，晶界上也存在很多白色颗粒状碳化物，这些碳化物有时呈链状聚集，严重影响组织的力学性能.这种在晶界上存在颗粒状白色碳化物现象是很明显的，它将引起组织不均，硬度强韧性严重下降.

图3(d)为600℃回火显微组织，由图可知，600℃回火组织相对前面四个试样，没有出现碳化物在晶界上聚集偏析的现象，而且共晶碳化物较少且分布均匀，组织相对均匀，并且有少量碳化物在晶粒内部均匀弥散析出，硬度值为52.3HRC，其强韧性要优于其它情况.

图3 低温形变空冷后回火组织

上述分析表明:低温形变热处理、空冷后较佳 的回火温度为600℃.

图4为试样低温形变热处理、水冷后分别在 540℃、560℃、580℃、600℃及620℃回火显微组织.

图4 低温形变水冷后回火组织

图4(b)为试样经形变、水冷、560℃回火后显微组织，由图可知组织中存在二次碳化物，碳化物多数在晶界处聚集，晶粒细小均匀，但组织中出现少数大块蠕墨状碳化物，将对性能有一定得影响.图4(c)为580℃回火显微组织，其碳化物多数在晶界附近析出，晶粒细小但不均匀，并存在大块碳化物单独析出，影响组织的均匀性，对性能有一定危害.图4(e)为620℃回火显微组织，出现少量脱碳现象，并且存在白色颗粒状共晶碳化物，这些碳化物呈链状分布，比较集中，使组织极不均匀，严重影响组织的性能.

图4(a)和图4(d)分别为540℃和600℃回火组织.由图可知540℃和600℃回火后试样的显微组织很相似，它们的晶粒均匀，碳化物分布均匀.且这两种组织的硬度也非常接近，均可为回火组织理想要求的硬度，600℃回火试样的硬度为49.45HRC，540℃回火试样的硬度为49.98HRC.但不同的是600℃回火试样的碳化物较多，且非常均匀地分布在晶粒和晶界上，而经540℃回火后碳化物大多分布在晶界上，因此600℃回火后在性能方面要优于540℃回火.

经过上述分析比较得出低温形变热处理、水冷后600℃回火是较优的工艺.

进一步比较低温形变热处理、空冷后600℃回火(图3(d))与低温形变热处理、水冷后600℃回火(图4(d)).低温形变热处理、空冷后600℃回火组织为α相上分布着少量点粒状碳化物，整体来说为回火索氏体，组织晶粒尺寸适中，分布较均匀，但硬度为54.73HRC(见表2)，偏高，所以其组织脆性大，在使用过程中易产生脆性开裂.

低温形变热处理、水冷后600℃回火组织为细的回火索氏体，其晶粒非常细小均匀，而且其上存在均匀分布的二次碳化物，强化效果较好，水冷处理试样的强韧性要优于空冷处理的试样，硬度值为49.45HRC，接近理想硬度值.

综上可知低温形变热处理、水冷后600℃回火试样在各方面性能比较均优于空冷试样，其强度与塑韧性配合最佳.

3 结论

经分析与讨论，可得出以下结论:

1)形变温度对试样组织于性能影响很大，对于3Cr2W8V，临界转变温度以上的形变热处理即高温形变热处理是不适宜的;

2)低温形变处理后的冷却方式对试样组织及性能的影响较大，同样变形和热处理条件下，水冷优于空冷;

3)在实验范围内，从试样显微组织和综合力学性能角度，最佳的处理工艺为860℃×2h退火，1100℃×(4～5min)水冷至500℃左右后进行形变量为50%的轧制变形，水冷到室温;立即加热到1100℃ ×10min，然后油冷淬火;最后进行600℃×2h回火两次+180℃×1h的补充回火.

［1］崔崑.中国模具钢现状及发展(I)［J］.机械工程学报，2001，25(1):1-5.

［2］冯俊杰，李要军.提高3Cr2W8V钢热模具寿命工艺研究［J］.机械工人:热加工，2005(3):43-45.

［3］刘雪燕.3Cr2W8V钢模具开裂分析［J］.热处理，2009，24(1):67-69.

［4］张洪奎，刘笑莲.国内热作模具钢发展概况［J］.热处理，2003，18(2):52-58.

［5］刘静安.3Cr2W8V强韧化处理研究［J］.金属学报，1996，32(9):985-992.

［6］唐明华，汪新衡，厉春元.热处理工艺对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响［J］.机械工程材料，2003，27 (9):33-35.

［7］陈希原，42CrMo钢锻件的——锻造余热淬火热处理，锻压与冲压，2008(10):28-34.

［8］ARDEHALI BARANI A，LI F，ROMANO P，et al.Design of high-strength steels by microalloying and thermomechanical treatment.Materials Science and Engineering A，2007(463):138-146.

［9］FARKHUTDINOV K G，FAIRUSHIN F A.Effect of thermomechanical treatment of 0.45 wt.%C steel in the superplastic mode on plastic zone parameters after impact fracture in the ductile-brittle transition temperature range［J］.Materials Science and Engineering A，1995 (190):117-123.

［10］Tadashi Maki.Stainless steel:progress in thermomechanical treatment［J］.Current Opinion in Solid State and Materials Science，1997，2(3):290-295.

［11］匡禄生.气门模具H13钢的形变热处理［J］.内燃机配件，2007(1):33-34.

Study on thermomechanical treatment of 3Cr2W8V steel

ZHANG Jia-tao，ZHONG Yi，SUN Shu-hong，GAO Peng，YIN Jian-cheng
(Faculty of Materials and Metallurgical engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)

3Cr2W8V steel is widely used in forging，hot extruding and die-casting of nonferrous.In the paper，the thermomechanical treatment of 3Cr2W8V is studied in order to improve the integrated application performance of 3Cr2W8V and increase the service life of die.Also the effect of deformation temperature，cooling mode and temper temperature on microstructure and properties is discussed.It is concluded that thermomechanical treatment with high temperature cannot be used in 3Cr2W8W，water cooling is better than atmosphere cooling.The optimum treatment progress to gain the best microstructure and properties is proposed.

3Cr2W8V;thermomechanical treatment;deformation temperature;cooling mode

TG166.3 文献标志码：A 文章编号：1005-0299(2011)02-0005-05

2009-07-09.

昆明理工大学校企预研基金资助项目(20070036).

张家涛(1970-)，男，副教授.

(编辑 张积宾)