回火温度对4Cr13塑料模具钢组织与耐蚀性能的影响

于 多 沙春晖 刘 伟 陈 旋 吕穿江 吴晓春

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

21世纪以来，塑料行业飞速发展，已与钢铁、水泥、木材一起构成了现代社会的四大基础材料，因此，塑料模具工业对模具钢的需求量也越来越大。塑料模具钢的工作温度一般在200 ℃左右[1]，对强韧性和耐蚀性的要求很高，尤其是某些含氟、氯等的塑料在熔融状态会释放出有强烈腐蚀性的HCl等，需要具有高耐蚀性的塑料模具钢[2]。其中，4Cr13钢经过适当热处理可获得较高的强度和耐磨性，可电蚀加工花纹，是一种综合性能良好的高级塑料模具钢[3- 4]。但目前对于4Cr13塑料模具钢在不同热处理状态下的耐蚀性的研究报道较少，因此本文主要探讨了回火温度对4Cr13钢的显微组织和耐蚀性能的影响，以期为今后的生产提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料采用国内某钢厂生产的4Cr13钢，其化学成分如表1所示。

淬火温度决定残留奥氏体和马氏体中合金固溶度，由于选定钢种Cr的质量分数为14.70%，其Accm温度应在900 ℃左右[5]。而马氏体不锈钢在工程中常用的奥氏体化温度为1 000～1 050 ℃，因此本文选择试验钢的奥氏体化温度为1 030 ℃，保温时间为30 min，真空油淬。淬火后再进行不同温度的回火，回火在KSY- 6D- 16型回火炉中进行，回火温度分别为250、280、300、480、500和540 ℃，每个温度进行2 h×2次回火，空冷。

表1 4Cr13钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the 4Cr13 steel (mass fraction) %

将热处理后的试样磨制并抛光后,采用质量分数为19.7%的FeCl3腐蚀剂进行腐蚀，采用Nikon MA 100型倒置式光学显微镜(OM)和Zeiss Supra- 40场发射电子扫描显微镜(SEM)对试样中部进行观察。采用69- 1型洛氏硬度计按照GB/T 230.1—2009测量试样的洛氏硬度。电化学测量在CS350电化学工作站进行，将试样加工成尺寸10 mm×10 mm×2 mm的片状，工作面积为1 cm2，试样经粗砂纸打磨去除氧化膜，焊接导线后用环氧树脂进行封装，制成电化学试样。试样经氧化铝水磨砂纸研磨后，在机械抛光机上抛光，以去除表面划痕，获得光滑镜面。抛光后的试样用水和酒精清洗，放入干燥箱中保存24 h以上，备用。电化学试验所用溶液为质量浓度0.5 mol/L的NaCl溶液，采用3电极体系，试样为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，文中所有电位均相对于SCE，扫描速率为0.5 mV/s，试验温度为25 ℃，试验结束后根据Tafel曲线采用外推法算出自腐蚀电流I和自腐蚀电位E。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

2.1.1 退火态组织

4Cr13钢通常以退火态交货，观察其显微组织发现：退火态组织均匀细小，存在大量网状碳化物。这是由于合金含量过高，导致铸造过程中发生偏析[6]，这些碳化物的存在大大降低了工件的硬度和耐蚀性，需进行淬、回火处理。

2.1.2 淬火态组织

4Cr13钢淬火后的显微组织如图2所示。可以看出，马氏体板条束呈现比平行排列，并存在大量φ1～2 μm、沿铁素体晶界分布的颗粒物，根据图3的形貌和EDS能谱分析结果，判断其为Cr系碳化物。该类碳化物一般认定为(Fe,Cr)23C6。由于淬火马氏体的C、Cr含量较高，大大增加了晶格正方度，导致其性能极不稳定[7- 8]。

2.1.3 回火态组织

4Cr13钢为中碳高合金钢，大量的合金元素提高了钢的回火抗力， 使淬火马氏体分解温度提高，在较高温度回火时仍能保持原马氏体形貌。图4为不同温度回火后钢的显微组织，可见在较高温度回火时仍为回火马氏体。

图3 碳化物的形貌及其能谱图Fig.3 Morphology and EDS patterns of carbides

图4 4Cr13钢在不同温度回火后的显微组织Fig.4 Microstructures of the 4Cr13 steel after tempering at different temperatures

280、480和540 ℃回火试样的SEM照片如图5所示。从图5可以看出，低温回火时，马氏体基体析出碳化物较少，呈弥散分布，回火温度升高，碳化物析出逐渐增多，形状逐渐由颗粒转变为片状，与原马氏体板条方向一致且多集中在马氏体边界。由于本试验的回火温度未到达使马氏体大量分解的温度，因此马氏体板条束形貌都比较明显。

2.2 性能

2.2.1 硬度

淬火态试样的硬度可达53 HRC。当回火温度在300 ℃以下时，由于析出少量碳化物，马氏体含碳量降低，但由于碳化物分布较为弥散，硬度下降不多；至480 ℃回火时，试样发生二次硬化，硬度上升；继续升高回火温度，马氏体中的碳慢慢向基体扩散，基体含碳量下降，同时析出的碳化物长大，造成硬度快速下降，如图6所示。

图5 4Cr13钢在不同温度回火后的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of the 4Cr13 steel after tempering at different temperatures

图6 4Cr13钢不同温度回火后的硬度Fig.6 Hardness of the 4Cr13 steel as a function of tempering temperature

2.2.2 耐蚀性能

通过测定极化曲线来分析不同温度回火试样耐蚀性能的变化，从而揭示4Cr13钢的腐蚀规律。图7和表2分别为不同温度回火试样的极化曲线和自腐蚀电位值(Ecorr)。

由图7可以看出，低温回火时，试样的自腐蚀电位较高，这是由于低温回火时析出的碳化物数量不多(见图5a)，贫铬区较少，耐蚀性较好；中温回火时，碳化物大量析出(见图5b)，且Cr元素扩散能力较低，形成较多贫铬区，自腐蚀电位快速下降，480 ℃回火时发生二次硬化，高合金含量的碳化物脱溶，腐蚀加速，耐蚀性最差；高温回火时，自腐蚀电位又上升至低温回火附近区域，该阶段虽然析出碳化物较多(见图5c)，但由于较高温度回火时Cr元素有很高的自扩散能力，可大量消除贫铬区，因而耐蚀性上升[10]。

图7 不同温度回火试样的极化曲线Fig.7 Polarization curves of the specimens tempered at different temperatures

表2 不同温度回火试样的自腐蚀电位Table 2 Corrosion potential of the specimens tempered at different temperatures

3 结论

(1)在试验回火温度范围内，4Cr13钢的马氏体板条形貌基本被保留，未发生明显分解。低温回火时，马氏体基体碳化物析出较少，呈弥散颗粒状分布，回火温度升高，基体内开始析出大量碳化物，并沿原马氏体板条方向呈片状生长。

(2)与淬火态相比，低温回火的4Cr13钢的硬度下降不多，480 ℃回火时，由于发生二次硬化，硬度又略有上升，继续升高回火温度，硬度则明显下降。

(3)低温回火的4Cr13钢的耐蚀性较好，480 ℃回火时由于发生合金碳化物脱溶，耐蚀性明显下降，继续升高回火温度，由于Cr元素较高的自扩散能力，耐蚀性又上升。

(4)综合考虑，4Cr13钢应在200～300 ℃回火，并避免在二次硬化峰附近温度回火。