典型熱處理后不同冷作模具鋼的殘余奧氏體及對沖擊韌性和尺寸穩定性的影響

吳正環, 谷歷文, 黃歷鋒, 李榮鋒, 阮 鋒, 邱華興, 范其香, 王 權

(1.國家模具產品質量監督檢驗中心, 東莞 523841；2.天津職業技術師范大學 機械工程學院, 天津 300222； 3.廣東(東莞)材料基因高等理工研究院, 東莞 523808；4. 華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣州 510641)

冷作模具是在常溫下對金屬或非金屬材料進行壓力或其他加工,使材料塑性變形和分離所使用的模具，包括冷沖壓模、冷擠模、拉伸模、彎曲模和切邊模等，廣泛應用于汽車、電子、軍工、宇航等領域[1]。冷作模具在服役中因受到多種力作用而容易發生過載失效、磨損失效或疲勞失效[2]。因此，冷作模具鋼熱處理后應具備高負載性、高耐磨性和高抗疲勞性以確保冷作模具的持久性。當前日本大同(DAIDO)公司生產的DC53冷作模具鋼(以下簡稱DC53鋼)、中國撫順鋼鐵生產的Cr8Mo2SiV冷作模具鋼(以下簡稱Cr8Mo2SiV鋼)和瑞典一勝百生產的Calmax冷作模具鋼(以下簡稱Calmax鋼)具有代表性。DC53鋼多用于高耐磨、高硬度、高韌性的高精密冷沖壓模，其熱處理后的耐磨性和沖擊韌性提升顯著[3]。Cr8Mo2SiV鋼被稱為“國產DC53鋼”，是在模仿國外DC53鋼的基礎上改進的新型鋼材，其熱處理后的綜合性能是常用冷作模具鋼中較好的[4]。Calmax鋼屬于高韌性、高耐磨性的模具鋼，具有良好的淬透性、拋光性和焊接性，其熱處理尺寸穩定性好，可應用于厚板、拉伸與擠壓冷作模具[5]。上述冷作模具鋼的典型熱處理工藝為：淬火(1 030 ℃保溫30 min油淬)→520 ℃高溫回火2 h兩次(空冷)→400 ℃低溫回火2 h(空冷)。

目前沒有文獻報道冷作模具鋼在典型熱處理后的殘余奧氏體含量及分布與沖擊韌性、尺寸穩定性的關系，也未對比不同產品的性能差異，無法為模具企業選擇合適模具鋼、學者們研究模具鋼及模具鋼的熱處理工藝提供參考資料。因此，筆者選用國內外具有代表性的冷作模具鋼，通過相同的熱處理工藝，著重分析殘余奧氏體含量及分布、沖擊韌性和尺寸穩定性的變化規律，并構建了殘余奧氏體含量及分布和尺寸穩定性的數學預測模型，為冷作模具鋼的應用與研究提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為DC53鋼、Cr8Mo2SiV鋼和Calmax鋼，試樣狀態為退火態，主要化學成分見表1。

表1 3種冷作模具鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the three cold working die steels (mass fraction) %

1.2 試驗方法

取出DC53鋼，通過DK7735型線切割機切割出2個50 mm×50 mm×50 mm的樣塊，以及2個長度分別為50 mm和52 mm的樣塊(尺寸樣)，以上樣塊均放入德國Nabertherm N31/H/C400型熱處理爐中進行熱處理。

其中1個50 mm×50 mm×50 mm的樣塊以及1個長度52 mm的樣塊加熱至1 030 ℃并保溫30 min，取出油淬；再在520 ℃高溫回火保溫2 h，空冷至30 ℃，此高溫回火空冷過程重復2次。將熱處理后的50 mm×50 mm×50 mm樣塊在0 mm高度(外表面)處、12.5 mm高度(1/4高度)處、25 mm高度(心部)處分別線切割出3個20 mm×20 mm×4 mm樣塊，采用美國Buehler EcoMet 250型金屬拋光機將此3個樣塊磨拋至鏡面。使用德國Bruker D8 ADVANCE型X射線衍射儀進行殘余奧氏體的定量測定，依據標準為ASTM E975—2013和GB/T 7704—2017。用德國Zeiss Calypso型超高精度三坐標測量儀對長度為52 mm樣塊的相同位置進行5次尺寸穩定性測量,并取平均值，在時間間隔0、40、80、120、260 d后分別重復測量。

余下1個50 mm×50 mm×50 mm的樣塊以及1個長度為50 mm的樣塊加熱至1 030 ℃并保溫30 min，取出油淬；繼而在520 ℃高溫回火并保溫2 h，空冷至30 ℃，此高溫回火空冷過程重復2次；再在400 ℃低溫回火保溫2 h，空冷至30 ℃。在熱處理后的50 mm×50 mm×50 mm的樣塊外表面處、12.5 mm高度處、25 mm高度處分別線切割出3個20 mm×20 mm×4 mm樣塊，采用美國Buehler EcoMet 250型金屬拋光機將此3個樣塊磨拋至鏡面。使用Bruker D8 ADVANCE型X射線衍射儀測試不同位置的殘余奧氏體。用德國Zeiss Calypso型超高精度三坐標測量儀對50 mm的長度樣塊相同位置進行5次尺寸穩定性測量，并取平均值，在時間間隔0、40、80、120、260 d后分別重復測量。Cr8Mo2SiV鋼試樣和Calmax鋼試樣的試驗方法均同上。

DC53鋼在1 030 ℃油淬，520 ℃高溫回火并空冷2次后，制備的外表面處、12.5 mm高度處和25 mm高度處樣條編號分別是A0、A1、A2，尺寸樣編號A3；DC53鋼在1 030 ℃油淬，400 ℃低溫回火并空冷2次后，制備的外表面處、12.5 mm高度處和25 mm高度處樣條編號分別是a0、a1、a2，尺寸樣編號a3；Cr8Mo2SiV鋼對應的8個樣條編號分別是B0、B1、B2、B3、b0、b1、b2、b3；Calmax鋼對應的8個樣條編號分別是C0、C1、C2、C3、c0、c1、c2、c3。

2 試驗結果與討論

2.1 殘余奧氏體含量

圖1和圖2為試樣A0、A1、A2、B0、B1、B2、C0、C1、C2及a0、a1、a2、b0、b1、b2、c0、c1、c2的XRD譜。根據ASTM E975—2013，通過對每個XRD譜在γ(111)、α(110)、γ(200)、α(200)、γ(220)、α(211)等6處衍射峰的峰強統計與計算，分別得到了不同熱處理工藝下3種模具鋼的殘余奧氏體含量(體積分數)及其分布，具體見表2。

圖1 520 ℃高溫回火后3種冷作模具鋼的不同位置的XRD譜Fig.1 XRD spectrums of three cold working die steels at different positions after 520 ℃ high temperature tempering: a) DC53 steel; b) Cr8Mo2SiV steel; c) Calmax steel

圖2 400 ℃低溫回火后3種冷作模具鋼的不同位置的XRD譜Fig.2 XRD spectrums of three cold working die steels at different positions after 400 ℃ low temperature tempering: a) DC53 steel; b) Cr8Mo2SiV steel; c) Calmax steel

由表2可知：①無論是在520 ℃高溫回火后，還是在400 ℃低溫回火后，對于3種冷作模具鋼，越接近心部處其殘余奧氏體含量越高。原因在于殘余奧氏體一般沿鐵素體晶界分布或存在于大鐵素體晶粒內部，而越接近試樣心部其鐵素體粒徑越小晶界越密，分散分布的奧氏體晶粒越小越密[6]。②DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的殘余奧氏體含量平均值較為接近，而Calmax鋼的殘余奧氏體含量則遠低于前二者。原因是前二者碳化物含量較高，這是淬火后殘余奧氏體生成的必要條件，而Calmax鋼碳化物含量極低，殘余奧氏體難以生成[7]。③3種冷作模具鋼在520 ℃高溫回火后的殘余奧氏體含量均遠低于400 ℃低溫回火后的。原因在于隨著回火溫度降低，回火后的碳化物析出增多，導致殘余奧氏體能夠大量轉變并附著在碳化物周圍[8]。

表2 3種冷作模具鋼不同位置的殘余奧氏體含量(體積分數)Tab.2 Retained austenite content in different positions of three cold working die steels (volume fraction) %

2.2 沖擊吸收能量

圖3和圖4為3種冷作模具鋼經520 ℃高溫回火、400 ℃低溫回火后垂直軋向及沿軋向的沖擊吸收能量對比圖。由圖3和圖4可知，520 ℃高溫回火后，Calmax鋼的沖擊吸收能量平均值分別是DC53鋼和Cr8Mo2SiV2鋼的7.2倍和6.0倍；400 ℃低溫回火后，Calmax鋼的沖擊吸收能量平均值分別是DC53鋼和Cr8Mo2SiV2鋼的12.6倍和4.8倍。520 ℃高溫回火后試樣的沖擊吸收能量低于400 ℃低溫回火后的，Cr8Mo2SiV鋼和Calmax鋼在400 ℃低溫回火后的沖擊吸收能量平均值分別是520 ℃高溫回火后的2.3倍和1.8倍。

圖3 520 ℃高溫回火后3種冷作模具鋼的沖擊吸收能量Fig.3 Impact absorption energy of three cold working die steels after 520 ℃ high temperature tempering

圖4 400 ℃低溫回火后3種冷作模具鋼的沖擊吸收能量Fig.4 Impact absorption energy of three cold working die steels after 400 ℃ low temperature tempering

DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼均是利用提升殘余奧氏體含量以達到提升回火后沖擊吸收能量的目的，這與圖3和圖4相對應[9]。而Calmax鋼的殘余奧氏體含量極低，但其沖擊吸收能量遠高于DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的，原因主要在于其化學成分中碳含量較少，同時淬火后生成的碳化物含量極低，較為純凈[6]。

2.3 尺寸穩定性

圖5和圖6為3種冷作模具鋼試樣經由520 ℃高溫回火及400 ℃低溫回火后在0、40、80、12、260 d后的尺寸穩定性曲線。由圖5和圖6可知，無論在哪種回火溫度下，DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的試樣呈現出隨時間增加而尺寸逐漸增加的過程，且均是在260 d時達到了峰值。Calmax鋼則是在400 ℃低溫回火后同樣呈現這種特點，但在520 ℃高溫回火后則表現出尺寸逐漸下降的趨勢。從曲線的趨勢而言，到260 d時，曲線雖然達到峰值，但也呈現出平緩的跡象。DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼試樣的尺寸呈現此種趨勢的主要原因可能為，回火后生成的殘余奧氏體緩慢向馬氏體轉變，由于前者密度高于后者，導致體積(長度)膨脹[10]。而Calmax鋼的殘余奧氏體含量極低，呈現出的曲線趨勢不明，難以判斷出其對尺寸的影響。

圖5 520 ℃高溫回火后3種冷作模具鋼試樣的尺寸變化Fig.5 Dimension variations of three cold working die steels samples after 520 ℃ high temperature tempering

圖6 400 ℃低溫回火后3種冷作模具鋼試樣的尺寸變化Fig.6 Dimension variations of three cold working die steels samples after 400 ℃ low temperature tempering

2.4 尺寸預測模型

根據圖5和圖6呈現的尺寸變化曲線，筆者嘗試對不同熱處理工藝下不同模具鋼試樣的尺寸變化規律進行數學建模，對其尺寸的變化趨勢進行預測。

(1)

(2)

將Vγ和不同階段的lt的數據代入式(1)和式(2)，可得αAM與lt之間的數學模型如下：

DC53鋼于520 ℃回火：

αAM=47.153-2 486.957/lt1(t0

(3)

當lt1=lmax時，αAM=0.393%；且|lmax-lmin|=4.40 μm。

Cr8Mo2SiV鋼于520 ℃回火：

αAM=46.016-2 355.671/lt1(t0

(4)

當lt1=lmax時，αAM=0.265%；且|lmax-lmin|=2.95 μm。

Calmax鋼于520 ℃回火，|lmax-lmin|=3.54 μm。

DC53鋼于400 ℃回火：

αAM=48.844-2 430.837/lt1(t0

(5)

當lt1=lmax時，αAM=0.327%；且|lmax-lmin|=3.34 μm。

Cr8Mo2SiV鋼于400 ℃回火：

αAM=47.699-2 399.164/lt1(t0

(6)

當lt1=lmax時，αAM=0.466%；且|lmax-lmin|=0.49 μm。

Calmax鋼于400 ℃回火，|lmax-lmin|=1.08 μm。

Calmax鋼的殘余奧氏體含量低，對于尺寸的變化難以產生決定性的影響，同時其尺寸變化規律不明顯，在圖5和圖6中C3和c3都可見不同的變化趨勢，因而不提供其尺寸預測的數學模型。

3 結論

(1) 在1 030 ℃淬火并經520 ℃高溫回火后，DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的殘余奧氏體含量遠高于Calmax鋼的；而400 ℃低溫回火后3種鋼的殘余奧氏體含量比高溫回火后的分別提升41.3%、56.8%、10.7%。殘余奧氏體在各試樣中的分布大體遵循從外表面到1/4處到心部由低到高再到低的規律。

(2) Cr8Mo2SiV鋼和Calmax鋼在400 ℃低溫回火后的沖擊吸收能量平均值分別是520 ℃高溫回火后的2.3倍和1.8倍。520 ℃高溫回火后，Calmax鋼的沖擊吸收能量平均值為DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的7.2倍和6.0倍；400 ℃低溫回火后，Calmax鋼的沖擊吸收能量平均值為DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼的12.6倍和4.8倍。

(3) 在520 ℃高溫回火和400 ℃低溫回火后，DC53鋼和Cr8Mo2SiV鋼尺寸的變化過程均表現為近似直線上升，而Calmax鋼的尺寸在520 ℃高溫回火后先降后升，在400 ℃低溫回火后也近似直線上升。在520 ℃高溫回火后，DC53鋼、Cr8Mo2SiV鋼和Calmax鋼的尺寸波動分別為4.40、2.95、3.54 μm；在400 ℃低溫回火后，DC53鋼、Cr8Mo2SiV鋼和Calmax鋼的尺寸波動分別為3.34、0.49、1.08 μm。