預調質處理對DC53模具鋼組織和性能的影響

馬春宇，袁軍平，薄海瑞

（廣州番禺職業技術學院珠寶學院，廣州511483）

0 引 言

精密冷鍛模具是冷作模具的重要種類之一，在五金、首飾、鐘表等行業應用廣泛且需求量巨大，但精密冷鍛模具壽命不高一直是困擾企業的生產難題之一。精密冷鍛模具對模具材料要求的特殊性主要體現在：一方面，由于冷鍛模具受力更大，與冷作沖壓模具側重于提高模具的硬度和耐磨性不同，精密冷鍛模具對力學性能的要求更側重于韌性和硬度的合理匹配，從而避免因硬度過低而導致的模具凹陷，或硬度過高、韌性過低而導致的模具開裂；另一方面，精密冷鍛模具的最高硬度受到嚴格限制，原因是此類模具通常只能在熱處理之后采用小刀具進行雕刻，硬度太高會導致雕刻過程中頻繁斷刀。因此，需要根據精密冷鍛模具的加工及服役條件合理選擇材料的硬度、韌性匹配，進而選擇更合適的熱處理工藝。

目前，精密冷鍛模具鋼通常以Cr12MoV和DC53鋼為主，DC53鋼是在Cr12MoV鋼基礎上改進得到的，在常規的熱處理條件下，其殘余奧氏體幾乎全部分解，一般可省略深冷處理，在較高的硬度下仍可保持較高的韌性。目前，國內外對DC53模具鋼熱處理工藝進行優化的相關學術文獻較少［1－2］，對DC53等高合金模具鋼增加一道預調質處理工藝（1 080℃淬火＋700℃回火）之后再進行最終的淬火和回火熱處理，會因為預調質處理過程中較高的淬火溫度促進碳化物及合金元素的充分溶解，使其在回火過程中再均勻彌散析出，碳化物及合金元素的形態、大小和分布得到改善，有利于提高模具的強韌性，但預調質處理對DC53最終淬火回火行為的影響規律并未見文獻報道，因此，作者詳細研究了預調質處理對DC53模具鋼的淬火、回火行為以及對硬度、韌性匹配的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為日本大同DC53模具鋼，其主要化學成分（質量分數／%）為0.95C，0.92Si，0.38Mn，0.005S，0.02P，0.812Cr，2.06Mo，0.17V；用線切割機床加工尺寸為10mm×10mm×55mm的無缺口沖擊試樣若干個用于熱處理后的沖擊性能檢測。在文獻［1－5］推薦的強韌化熱處理工藝基礎上進行改進，確定了4種典型的熱處理制度（對應4種試樣），如表1所示，試樣2～4增加了預調質處理，其中淬火、回火的保溫時間均為20min。采用箱式電阻爐加熱、開放式淬火油桶進行冷卻。

采用HR－150型洛氏硬度計測硬度，取3點的平均值；沖擊試驗采用JB30B型沖擊試驗機進行，沖擊能量為0.3kN·m或0.15kN·m，取3個試樣的平均值；將供貨態及熱處理態的模具鋼制備成金相試樣，用體積分數為5%的硝酸酒精腐蝕后采用OPTEC－DV200型光學顯微鏡觀察顯微組織；采用Hitachi S－3400N型掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

表1 試驗鋼的熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of tested steel

2 試驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖1可以看出，供貨態DC53模具鋼的基體組織為索氏體，其上分布的碳化物大部分呈細小的粒狀彌散分布，少量碳化物呈塊狀集中分布，在低倍組織中可見碳化物呈帶狀分布，由此可以判斷，該DC53模具鋼經過球化處理，但并未獲得最理想的球化組織。

由圖2可以看出，試樣2中的未溶碳化物基本消失，說明預調質處理促進了碳化物及合金元素的溶解，從而增加了淬火后殘余奧氏體的比例。此外，試樣2比試樣1中的殘余奧氏體更加明顯，即試樣2回火程度沒有試樣1充分。其原因是在低溫回火（200℃）過程中，試樣2中的殘余奧氏體分解為回火馬氏體以及淬火馬氏體分解為低碳馬氏體和ε－碳化物進行得均不夠充分，故在試樣基體內仍存在著亞穩定態的馬氏體和殘余奧氏體。

DC53鋼低溫回火（200℃）后的基體組織以淬火馬氏體和殘余奧氏體為主，而中溫回火（400℃）后則以回火馬氏體為主，其上分布著少許淬火馬氏體和細小的顆粒狀碳化物，這說明中溫回火能獲得較為理想的回火組織。對于一般的高碳鋼來說［6－8］，在100℃左右回火時，硬度會由于馬氏體中碳原子的偏聚以及大量彌散ε－碳化物的析出而導致硬度稍有上升；200～300℃回火時，在殘余奧氏體分解為回火馬氏體而使硬度升高以及馬氏體大量分解而使硬度降低的綜合作用下，硬度下降的趨勢比較平緩；300℃以上回火時，由于ε－碳化物轉變為滲碳體、共格關系被破壞以及滲碳體聚集長大等因素導致硬度呈直線下降趨勢。但是對于經預調質的試樣來說，由于預調質處理導致其淬火態殘余奧氏體的比例較高，因此即使在400℃左右回火時，其組織變化仍以殘余奧氏體分解為回火馬氏體為主。

DC53鋼高溫回火（600℃）后的基體組織以回火馬氏體為主，其基體上分布著大塊狀碳化物，這是因為回火溫度太高，從而導致碳化物聚集、長大以及淬火馬氏體完全分解。

2.2 對硬度、沖擊韌性的影響

由表2可知，4種試樣的硬度均在60HRC以下，因此不會在模具型腔加工成形過程導致頻繁斷刀，但試樣4的硬度值明顯偏低，可能會在模具服役過程中出現凹陷而導致失效，不能滿足精密冷鍛模具對材料硬度的要求。另外，4種試樣的沖擊韌性均較為理想，尤其以試樣3的沖擊韌性最為優異。

綜合比較各試樣在硬度、沖擊韌性等方面的表現，試樣3具有相對最為理想的硬度、韌性匹配，非常適用于精密冷鍛模具的生產。

與賈慈力［1］等的試驗數據對比可知，增加預調質處理能起到兩個非常重要的作用：其一，低溫（200℃）、中溫（400℃）、高溫（600℃）回火后的硬度分別由58.8，59.9，52.4HRC降至54.5，54.5，48.8HRC，其原因是預調質處理能促進碳化物及合金元素的溶解，從而增大了淬火后殘余奧氏體的比例；其二，改變了DC53鋼的回火行為，即把低溫（200℃）、中溫（400 ℃）、高溫（600 ℃）回火的沖擊功分別由61.5，44.15，86.30J調為76.7，111.0，90.4J，可以看出未經預調質處理的DC53模具鋼在200℃時即回火充分，并獲得了較佳的韌性，400℃出現回火脆性，600℃韌性提高但硬度大幅下降。而經預調質處理的DC53模具鋼在200℃回火時，韌性較差，這是因為預調質處理促進了碳化物及合金元素的溶解，從而增加了淬火后殘余奧氏體的比例，造成回火不充分；400℃回火時，韌性相對最佳，硬度未有明顯下降，這是因為預調質處理導致其淬火態殘余奧氏體比例較高，即使在400℃左右回火時，其組織變化仍以殘余奧氏體分解為回火馬氏體為主；600℃回火時，韌性較差，這是因為回火溫度太高，從而導致的碳化物聚集、長大以及淬火馬氏體完全分解，這與對其微觀組織的分析是吻合的。

表2 各試樣的硬度和沖擊功Tab.2 Hardness and impact energy of different samples

2.3 對斷口形貌的影響

由圖3可知，在試樣1的沖擊斷口中隱約可見準解理斷裂模式的特征，且存在大量二次裂紋，這是因為碳化物及合金元素溶解不充分，試樣中存在大塊碳化物等不連續體，當試樣受到沖擊時，即沿大塊碳化物斷裂并產生二次裂紋，致使其沖擊功降低，這與其沖擊試驗結果是吻合的；在試樣2的斷口形貌中也存在明顯的二次裂紋，并隱約可見沿晶斷裂的特征，這與試樣2回火不充分的分析是吻合的；試樣3的斷口形貌在不同放大倍數下均可觀察到韌窩，可以判斷其沖擊韌性較好，這與其較高的沖擊功相吻合；試樣4的斷口也以韌窩為主，韌性也較好。

3 結 論

（1）對于經過球化處理的DC53模具鋼，在最終熱處理前增加一道預調質處理，能顯著降低其硬度，改善其沖擊韌性。

（2）DC53模具鋼預調質處理、淬火后在400℃回火能獲得相對理想的硬度和韌性配比。

［1］賈慈力，沈耀仁，陸文華，等.DC53回火特性研究［J］.上海工程技術大學學報，2008，22（4）：336－338.

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