调质处理对Cr8MoWV3Si钢组织及性能的影响

魏丽艳

(甘肃钢铁职业技术学院,甘肃 嘉峪关 735100)

0 引言

Cr8MoWV3Si钢是在8Cr8MoV3Si成分的基础上开发出来的一种应用型极强的冷作模具钢,与基体钢相比,具有较高的含碳量及钒含量、铬含量、钼含量、钨含量等碳化物形成元素,可提高淬透性,令钢具有很强的韧性基体及细小均匀分布的一些特殊碳化物组织,使其具有高耐磨性及高韧性[1]。该钢在回火过程中有明显的二次硬化效应,并由此产生力学性能及耐磨性能的变化。铬(Cr)是自然界中硬度最大的金属,在地壳中的含量为0.01%。呈游离态的铬比较罕见,通常存在于铬铅矿中,熔点为1907 ℃,密度7.19 g/cm3,呈银灰色,有金属光泽。纯铬具有延展性,可溶于强碱性溶液中,具有很高的耐腐蚀性能。晶格类型为体心立方晶格,电负性1.66(鲍林标度),在自然界中氧化非常缓慢,且不溶于水,电镀到金属表面可以起到防护装饰作用。自然界中的铬元素主要以化合物的形式存在于一些矿石中。在冶金工业中,金属铬主要由铬铁矿生产得到,可用于冶炼特种合金,是航空业、造船业、汽车业及军工企业不可缺少的原材料。Cr8MoWV3Si钢中的钼(Mo)是一种银白色金属,由于原子间的结合力非常强,具有很高的强度及硬度,熔点2620 ℃,密度10.20 g/cm3,电负性2.16(鲍林标度),属于体心立方晶系。钼的熔点很高,是一种难溶性金属,膨胀系数小,导热性能好,导电率很大。常温下,钼金属不与盐酸及碱溶液发生化学反应,但可以溶于浓硫酸或王水中。钼与钼合金在农业、航天等领域有着广泛的应用,是重要的稀有金属,可有效提高钢的强度、韧性、抗蚀性能及耐磨性能,还可以改善钢的焊接性能及耐热性能。在钢铁冶炼的整个过程中,钼不容易发生化学反应,作为一种碳化物形成元素可与其他元素混合使用[2]。

1 实验过程

对Cr8MoWV3Si钢分别采用1100 ℃、1130 ℃、1160 ℃淬火,油冷,回火温度分别为500 ℃、525 ℃、550 ℃,回火3次,每次1 h。制备试样,分别对各个试样进行硬度测试。切割、镶嵌试样,磨制,抛光,腐蚀,在光电显微镜下进行试样的金相组织观察及分析。对试样进行能谱组织分析及扫描电镜金相组织分析。进行力学性能测试,包括拉伸试验、硬度实验、冲击韧性试验。

2 结果及讨论

2.1 显微组织

Cr8MoWV3Si钢淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体,性能表现为硬而脆,内部存在淬火应力,不能直接使用,否则会产生变形并开裂,故淬火后的钢件必须进行回火处理[3]。虽然回火温度不高,冷却也不剧烈,但发生的组织转变却非常复杂,总的趋势是随着回火温度的增加,马氏体中的过饱和碳化物将被析出[4],残留的奥氏体不断转变,铁素体向多边形发生转变,碳化物聚集并长大,产生的淬火应力不断降低并消失。Cr8MoWV3Si钢的回火组织只取决于回火温度的高低,与冷却方式无关,本试验中Cr8MoWV3Si钢的回火温度为500 ℃～550 ℃,回火后的组织为回火索氏体+残余奥氏体+碳化物,其组织特点是在多边形铁素体基体上分布着颗粒状的渗碳体。在Cr8MoWV3Si钢中,因为合金元素的扩散比较缓慢且妨碍碳原子的扩散速度[5],尤其妨碍了碳化物的不断聚拢及生长,因此在较高的回火温度下碳化物仍能保持均匀弥散分布的细小颗粒,使钢的硬度不仅没有下降,反而再次提高。1100 ℃淬火后,在不同温度下进行回火处理,得到的显微组织如图1所示,由显微组织比较得出,当回火温度不断上升时,残余奥氏体数量不断减少,由于残余奥氏体数量减少,Cr8MoWV3Si钢的强度及硬度升高而塑性韧性下降,碳化物数量则随着回火温度的升高而逐渐增加[6],经550 ℃左右回火处理后,回火析出的二次碳化物聚集并长大,降低了二次硬化效应[6],故Cr8MoWV3Si钢经1100 ℃淬火+550 ℃回火后的硬度比其他两种温度回火后的硬度要低。

(a)、(b)500 ℃ (c)、(d)525 ℃ (e)、(f)550 ℃。

2.2 硬度

淬火后的钢件在不同温度下经过回火处理,得到的显微组织大不相同,故其力学性能也将发生明显的变化。硬度是淬火钢在回火时变化最为明显的力学性能指标,也是确定回火温度的依据。在200 ℃以下回火时,由于马氏体中极多的ε碳化物呈弥散状分布并析出,钢的硬度下降得不明显;在200 ℃～300 ℃回火时,由于钢中的残余奥氏体转变为回火的马氏体,会减慢硬度下降的速度;在300 ℃以上回火时,由于渗碳体析出并长大及马氏体中碳的质量分数下降,钢的硬度直线下降[7]。Cr8MoWV3Si钢的硬度主要取决于钢中马氏体的碳含量,而马氏体的硬度则主要取决于其中碳的质量分数,碳的质量分数越高,马氏体的硬度越高,碳的质量分数越低,这种关系越明显。马氏体中碳的质量分数取决于奥氏体化的温度及时间。从表1、表2可以看出,Cr8MoWV3Si钢具有二次硬化现象,在不同淬火温度下会出现二次硬化现象且对应的回火温度都不相同。在1100℃的淬火温度下进行淬火处理,在500 ℃～525 ℃回火将出现二次硬化峰值,在1130 ℃的淬火温度下进行淬火处理,在525 ℃左右回火将出现二次硬化峰值[6],但在1150 ℃淬火处理后,在560 ℃左右回火没有出现二次硬化的峰值[8-10]。二次硬化现象与热处理回火后析出的物质有关,当回火温度低于450 ℃时,回火后的钢中将会形成渗碳体组织,当回火温度达到450 ℃以上时,生成的渗碳体将会被分解,Cr8MoWV3Si钢中开始沉淀出弥散稳定的难溶碳化物[6],如Mo2C、W2C、VC等,令硬度重新提高[7],故出现二次硬化现象。此外,回火时冷却过程中残留的奥氏体转变为马氏体的二次淬火,也可导致二次硬化现象出现。

表1 不同淬火温度下的硬度

表2 不同淬火温度及3次回火(每次1 h)后的硬度HRC

2.3 强度、韧性

调质处理是零构件常用的一种热处理方法。合金元素通过对回火过程的间接影响可推迟或延缓钢的回火过程,提高回火稳定性。Cr8MoWV3Si钢中的合金元素大多可以减缓奥氏体化过程,特别是强碳化物形成元素如Gr、Mo、W及V等,与碳有很强的亲和力,急剧减缓了碳原子在钢中的扩散速度,奥氏体的形成过程也减慢。淬火钢回火转变的共同特点是属于扩散型相变,合金元素在影响钢在回火后的组织及性能。从表3可以看出,同一淬火温度下的试样Cr8MoWV3Si钢随着回火温度的上升,强度降低,冲击韧性上升。

表3 Cr8MoWV3Si钢力学性能

3 结论

Cr8MoWV3Si钢在525 ℃左右回火会产生明显的二次硬化,在不同淬火温度下出现二次硬化现象时对应的回火温度不同。从力学性能来看,通过调节热处理参数可以获得良好的强韧性。随着回火温度的升高,Cr8MoWV3Si钢的强度下降,冲击韧性上升。Cr8MoWV3Si钢调质处理后的组织为回火索氏体,具有良好的综合力学性能,在保持较高强度的同时具有良好的塑性及韧性。