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热处理对工模具钢5cr8movsi组织及硬度的影响

时间: 2011-07-11 08:04 来源: 作者: 点击:

摘要:工模具钢5Cr8MoVSi(0.55C,8.13Cr,1.38Mo,0.45V,0.72Si)经840℃退火硬度为HB218,钢中碳化物以M23C6为主,并有少量的MC和M7C3。该钢合适的淬火温度为980-1050℃,最高硬度为HBC60-61。随淬火温度升高,淬火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到板条状马氏体组织,剩余碳化物主要为MC和M7C3,为减少残余奥氏体量,该钢应进行二次或三次回火。

关键词:工模具钢5Cr8MoVSi 热处理 组织 硬度

5Cr8NoVSi钢是近年来我国应用较多的新钢种,主要用于耐冲击性工模具和薄刃刀具上。但是,目前对5Cr8MoVSi钢的热处理工艺研究较少,所生产的工模具常发生硬度不高和断裂失效现象。因此,本文较详细地研究了5Cr8MoVSi钢热处理工艺对硬度和组织结构的影响。

1、实验材料及实验方法

实验材料成分如表1所示。试样退火、淬火、回火均在坩埚电阻炉中进行,淬火采用油介质冷却。用D/maxⅢA X射线衍射仪分析相结构和残余奥氏体量,定量金相法测量奥氏体晶粒数、碳化物体积分数及尺寸、马氏体尺寸,JXA-733电子探针分析显微组织和成分。

表1 工模具钢5Cr8MoVSi
化学成分/% C Mn Si Cr Mo V S P
0.55 0.45 0.72 8.13 1.38 0.45 ≤0.02 ≤0.03

2、实验结果及分析

2.1 退火
试样经840℃退火硬度为HB218,退火显微组织为球状珠光体,如图1所示。碳化物的平均尺寸为0.94μm,体积分数约为0.32。碳化物相以M23C6,为主,其次有M7C3和MC。

2.2淬火
淬火实验温度为880℃、900℃、930℃、950℃、1000℃、1050℃。随淬火温度升高,淬火硬度升高。1000℃淬火时,硬度为HRC60;1050℃淬火时,硬度为HRC60.3。 淬火组织为马氏体、剩余碳化物和残余奥氏体。在950℃淬火时,马氏体由针状马氏体和板条状马氏体组成,针对马氏体的比例较大,剩余碳化物呈小颗粒状或点状分布;1000℃淬火时马氏体仍然由针状马氏体和板条状马氏体组成,剩余碳化物呈点状分布,残余奥氏体夹在马氏体针或板条之间;1050℃淬火时,马氏体以板条状马氏体为主,只有少量的针状马氏体(<10%),残余奥氏体量增多,剩余碳化物极少,尺寸也更小。金相分析表明:随温度程式高,奥氏体晶粒度变大,马氏体针变长,剩余碳化量减少,尺寸变小,淬火试样残余奥氏体量随淬火温度升高而升高,1000℃淬火时,残余奥氏体量约10%。奥氏体晶粒尺寸随淬火温度升高而升高,淬火马氏体板条或针状尺寸也与晶粒度尺寸对应。


表2 工模具钢5Cr8MoVSi淬火温度对奥氏体晶粒度、
残余奥氏体、马氏体和剩余碳化物的影响

相分析表明,淬火试样以α马氏体为主要相,其次是残余奥氏体γ',剩余碳化物为M7C3、MC,并有微量的M23C6。与退火碳化物相分析对照后可知,在1000℃淬火时,M23C6大部分溶解,而原来少量的M7C3和MC型碳化物因难于溶解,成为主要剩余碳化物。

2.3回火
回火温度小于380℃时,随回火温度升高,回火硬度降低。在此区间,主要是马氏体分解过程,马氏体含碳量降低,马氏体晶体结构的正方度(c/a)下降。在480-500℃回火,有明显的二次硬化现象。485℃回火最高硬度为HRC58,比淬火硬度低2HRC左右。二次硬化主要是MC(VC)沉淀硬化的效果。 随回火温度升高,残余奥氏体量减少。只通过一次回火残余奥氏体分解较少,通过三次回火残余奥氏体量可降低到6%左右。

3、讨论

工模具钢5Cr8MoVSi碳含量为0.55%,淬火马氏体形态为板条状和针状[1]。在较低的温度下淬火时,剩余碳化物量较多,在靠近碳化物的奥氏体区中,因碳化物溶解过程中碳的扩散呈梯度分布,因此,有局部高碳区。局部高碳区在冷却过程中转变成针状马氏体,其亚结构是孪晶[2]。在较高的温度下淬火,剩余碳化物主要是少量的VC和M7C3,溶解速度很慢,因此大部分奥氏体区域碳含量均匀化,尽管此时奥氏体平均碳含量高,但是相对于高碳奥氏体来说,其含量还是低的。所以在较高温度淬火时,板条马氏体比例增大。板条马氏体比针状马氏体韧性高,因此,该钢可以在较高的温度下淬火。但板条在300-400℃回火时,因析出的碳化物沿板条分布,会显示出回火脆性[3]。所以,在较高的温度下淬火,获得以板条状马氏体为主的显微组织时,应避开回火脆性区,或者以较高温度回火(450-520℃),或者在较低温度回火(150-250℃)。如果需较低的回火硬度,则应提高回火温度(520℃以上)方能避开回火脆性区。不过此时需要严格控制回火制度,否则,回火硬度会随回火温度变动发生很大的变化。另外,对残余奥氏体量要求降低至最小的薄刃工模具,淬火后应进行二次回火或三次回火[4]。

4、结论

(1)工模具钢5Cr8MoVSi840℃退火,硬度为HB218,碳化物颗粒平均尺寸为0.94μm,碳化物体积分数为0.32,碳化物类型以M23C6为主,并有少量的MC和M7C3。

(2)工模具钢5Cr8MoVSi合适的淬火温度为980-1050℃,最高硬度为HRC60-61。随淬火温度升高,淬火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到以板条状马氏体为主。剩余碳化物以MC和M7C3为,M23C6型碳化物在淬火时大部分溶解。

(3)工模具钢5Cr8MoVSi仅通过一次回火,残余奥氏体量减少不大,因此,应进行二次或三次回火。在480-510℃回火,有二次硬化现象,回火硬度可升到HRC58-60。

参考文献:

1、徐祖耀 马氏体相变与马氏体 北京:科学出版社,1999.153
2、马永庆,孙俊才,史雅琴,等 淬火加热温度对6CrW2Si钢的组织和性能的影响 金属热处理,1990(3):16
3、马永庆,张占平,于志伟,等 高强韧性模具钢7Cr2WMoVSi的组织及性能 机械工程材料,1995,19(4):39
4、Borje Lehtinen and William Roberts.Microstructural Changes during Tempering of Hot-work Tool Steels-a Comparison of AISI H13and UHB QPR 80.Tools for Die Casting.Proceedings of a Symposium Held in Sunne.Sweden,26-28 Sepember 1983,71
戴玉梅,女,27岁,在读博士生。从事合金设计与应用及理论物理和粒子物理实验研究。

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