钼含量对3Cr2MnNiMoV钢奥氏体连续冷却转变行为的影响

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(1.昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650093； 2.钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081；3. 东北特殊钢集团技术中心，抚顺 113001)

0 引 言

随着现代工业的发展，塑料制品向大型、复杂、精密的方向发展，塑料模具的工作条件更加苛刻和复杂，这对塑料模具钢性能提出了更高的要求[1-2]。预硬化塑料模具钢在供货前已进行调质处理，达到用户的使用要求和性能要求，用户可直接将其加工成模具，避免模具加工后因热处理所造成的脱碳、开裂、变形等缺陷[3-5]。3Cr2MnNiMoV钢是钢铁研究总院在德国DIN 1.2738(中国牌号3Cr2MnNiMo)钢基础上，通过优化合金元素含量而开发的新型高性能预硬化塑料模具钢，具有比3Cr2MnNiMo钢更优异的力学性能。3Cr2MnNiMoV钢中钼含量的增加除了可提高钢的回火稳定性和淬透性外，还能细化晶粒、产生固溶强化、改善碳化物分布等，从而提高其力学性能[6-9]。室温下钼在α-Fe中的固溶度可达4%，在γ-Fe中的固溶度可达3%，并且可以与钢中的碳、氮、硼等元素形成化合物，与其他合金元素形成金属间化合物。当钼质量分数在0.15%～0.55%时，铬钼钢具有较高的强度、较好的热稳定性和良好的抗应力腐蚀性能[10-11]。研究表明，添加质量分数0.2%钼可抑制低碳钢中碳化物的析出，减少铁素体的形核位置和提高奥氏体中的碳含量，并能在低冷却速率下抑制多边形铁素体的形成，提高奥氏体的淬透性[12]。张慧杰等[13]和WU等[14]的研究表明，较高含量的钼可降低贝氏体的析出温度，缩小贝氏体相变温度范围，使CCT曲线右移。但是，未见有关钼含量对3Cr2MnNiMoV钢奥氏体连续冷却转变行为影响的报道。为此，作者对两种不同钼含量的3Cr2MnNiMoV钢在不同冷却速率下的组织与硬度进行了研究，并绘制了奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线，为该钢的成分设计以及热处理工艺制定提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

试验原料为纯铁和铁合金，钼以MoFe60合金的形式加入，按照3Cr2MnNiMoV钢的化学成分进行配料，其中钼元素的质量分数分别为0.2%和0.7%。在25 kg真空感应炉中熔炼，然后将铸锭加热到1 200 ℃保温1 h后，锻造成φ16 mm×2 m的钢棒，之后将钢棒加热到860 ℃保温4 h后，炉冷至740 ℃保温6 h，随后炉冷至500 ℃，出炉空冷。测得试验钢的化学成分如表1所示。

从钢棒上截取尺寸为φ3 mm×10 mm的热膨胀试样，按照YB/T 5128-1993标准，利用FORMASTOR-FII型相变仪测试验钢的临界相变点和热膨胀曲线。将试验钢以200 ℃·h-1加热速率升温，测得试验钢的Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)和Ac3(加热时先共析铁素体全部溶入奥氏体的终了温度)。之后在100 s的时间内将热膨胀试样从室温迅速加热至880 ℃，保温5 min后，在5 s内将温度降至Ac3，再分别以0.03，0.06，0.14，0.28，0.81，1.62，4.05，8.10，16.20 ℃·s-1的速率冷却至室温，绘制试验钢的热膨胀曲线，并利用切线法测定在不同冷却速率下的相变温度。

热膨胀试样经打磨、抛光和用体积分数6%硝酸酒精溶液腐蚀后，在Olympus-G型光学显微镜、日立S-4300型冷场发射扫描电镜(SEM)上观察显微组织。利用HP250型维氏硬度计测不同冷却速率下试样的硬度，载荷50 N，保载时间10 s，每个试样测5个点取平均值。通过对热膨胀曲线进行分析，并结合显微组织和硬度的试验结果，绘制出CCT曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 CCT曲线

图1中的Mf为马氏体转变终了温度，Ms为马氏体转变开始温度。由图1可以看出：1#试验钢的Ac1和Ac3分别为710 ℃和790 ℃，2#试验钢的Ac1和Ac3分别为735 ℃和790 ℃；在0.03～16.20 ℃·s-1冷却速率范围内，两种试验钢的CCT曲线都可以划分为中温转变区和低温转变区两个区域，相变产物分别为贝氏体(B)和马氏体(M)，均未发现珠光体；对于1#试验钢，当冷却速率小于0.06 ℃·s-1时，仅发生贝氏体转变，当冷却速率为0.06 ℃·s-1时开始出现马氏体，马氏体含量随冷却速率的增大而增加，当冷却速率大于等于0.28 ℃·s-1时组织全部转变为马氏体；对于2#试验钢，当冷却速率小于0.06 ℃·s-1时仅发生贝氏体转变，当冷却速率为0.06 ℃·s-1时开始出现马氏体，当冷却速率大于等于0.14 ℃·s-1时组织全部转变为马氏体；随着钼含量的增加，试验钢的CCT曲线右移。

钼是碳化物形成元素，钼含量的增加使碳在奥氏体中的扩散激活能增大，阻碍了碳的扩散[15]，导致马氏体转变的临界冷却速率降低，因此试验钢的CCT曲线右移。

图1 两种试验钢的CCT曲线Fig.1 CCT curves of two tested steels

2.2 显微组织

由图2和图3可知：当冷却速率为0.03～0.14 ℃·s-1时,1#试验钢的组织主要为贝氏体，随冷却速率的增加，贝氏体含量减少，且由粒状贝氏体逐渐转变为束状贝氏体；当冷却速率为0.06 ℃·s-1时，组织中开始出现马氏体，当冷却速率大于0.14 ℃·s-1时组织完全转变为马氏体。

由图4和图5可以看出：当冷却速率为0.03～0.06 ℃·s-1时，2#试验钢为贝氏体和马氏体的混合组织，随冷却速率的增加，马氏体逐渐增多，粒状贝氏体逐渐向束条贝氏体转变；当冷却速率为0.06 ℃·s-1时，组织中开始出现马氏体，当冷却速率大于0.06 ℃·s-1时组织完全转变为马氏体。

图2 1#试验钢在不同冷却速率下的显微组织Fig.2 Microstructures of 1# tested steel at different cooling rates

图3 1#试验钢在不同冷却速率下的SEM形貌Fig.3 SEM micrographs of 1# tested steel at different cooling rates

图4 2#试验钢在不同冷却速率下的显微组织Fig.4 Microstructures of 2# tested steel at different cooling rates

图5 2#试验钢在不同冷却速率下的SEM形貌Fig.5 SEM micrographs of 2# tested steel at different cooling rates

综上所述，当冷却速率大于0.14 ℃·s-1时，1#试验钢的组织全部为马氏体，2#试验钢在冷却速率大于0.06 ℃·s-1时，其组织全部为马氏体。2#试验钢在更低的冷却速率下即可获得马氏体，这表明随着钼含量的增加，3Cr2MnNiMoV钢获得马氏体组织的能力增强，其淬透性提高。

图6 不同冷却速率下试验钢的硬度变化曲线Fig.6 Hardness change curves of the tested steels at different cooling rates

2.3 硬 度

由图6可知：当冷却速率小于0.14 ℃·s-1时，两种试验钢的硬度均随冷却速率的增大而快速升高，这是由于随着冷却速率的增大，试验钢组织均由粒状贝氏体转变为束状贝氏体，晶界面积增加，高密度位错增多，阻力增大，同时贝氏体转变属于半扩散型转变，奥氏体中的碳来不及扩散，使得固溶在奥氏体中的碳含量增加，奥氏体转变成贝氏体，导致硬度迅速升高；当冷却速率大于0.14 ℃·s-1，组织完全转变为马氏体，随冷却速率的增大，位错密度增多，硬度缓慢增加；当冷却速率从0.03 ℃·s-1增加到16.20 ℃·s-1时， 1#试验钢的硬度由429 HV5增大到700 HV5，而2#试验钢的硬度则由415 HV5增大到720 HV5；当冷却速率大于0.14 ℃·s-1后，在相同的冷却速率下， 2#试验钢的硬度高于1#试验钢的，硬度差为20～35 HV5，这是由于钼在钢中能增加碳化物的形核位置，形成的碳化物更加细小，数量更多[16]，因此钼含量的增加使3Cr2MnNiMoV钢具有更高的硬度。

3 结 论

(1) 在0.03～16.20 ℃·s-1冷却速率范围内，试验钢的CCT曲线都可以划分为中温转变区和低温转变区两个区域，相变产物分别为贝氏体和马氏体，均未发现珠光体；随着钼含量的增加，马氏体转变的临界冷却速率降低，CCT曲线右移，试验钢获得马氏体的能力增强，淬透性提高。

(2) 随着冷却速率的增加，试验钢的显微硬度先快速增加后缓慢增加；当冷却速率大于0.14 ℃·s-1时，在相同的冷却速率下，含有较多钼元素的试验钢具有更高的硬度。

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