熱處理工藝對Cr12模具鋼組織與性能的影響

廖德勇，賈宏斌

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

近年來，由于原材料價格的上漲，高合金比的模具鋼很難讓用戶接受，因此市場對Cr12系列模具鋼的需求呈現迅速的上漲趨勢，僅2019年，國產Cr12系列模具鋼的用量就增長了40%，由此可見提高現有鋼種的性能就顯得比以往任何時候都重要［1］。為了使Cr12系列模具鋼應用更加廣泛，前人對Cr12系列模具鋼進行了大量的強韌化研究，但目前仍缺乏系統的理論體系［2-3］。強韌化調質工藝不完全，應用受到很大限制，尚不能滿足現代工業發展的要求。因此，還需對Cr12系列模具鋼進行更深一步的研究，提高Cr12系列模具鋼的各項性能，使其發揮更大的作用。因此，本文重點對退火工藝、回火工藝對Cr12模具鋼組織與性能的影響進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選取Cr12鋼為試驗材料，采用EF+LF+VD工藝冶煉，Cr12鋼的化學成分如表1所示。澆鑄成Φ50 mm圓柱試驗用鋼，在直徑的1/4處切取縱向金相試樣（15 mm×20 mm），取樣部位如圖1所示，磨制后采用4%HNO3+酒精溶液進行腐蝕。

表1 Cr12鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Cr12 Steel（Mass Fraction） %

圖1 取樣部位Fig.1 Sampling Location

1.2 試驗方法

1.2.1 退火工藝試驗

將Cr12鋼切割成10 mm×10 mm×20 mm的試樣，以兩種退火工藝對樣品進行熱處理，Cr12鋼退火工藝曲線如圖2所示。圖2（a）為常規退火工藝，圖2（b）為均勻化退火工藝，將樣品在不同溫度下保溫10 min，然后迅速將其油淬，降溫至400℃，再快速轉入小型回火爐中，回火溫度為730℃，在不同的保溫時間下保溫，再進行自然冷卻。對比兩種退火工藝對硬度和組織性能的影響［4-5］。

圖2 兩種Cr12鋼退火工藝曲線Fig.2 Annealing Process Curves of Two Kinds of Cr12 Steels

1.2.2 回火工藝試驗

選擇Cr12鋼為研究對象，在980℃、30 min油淬，然后分別在 150、200、250、300、350、400、450、500℃下回火120 min，測試鋼的硬度，并得到回火溫度對鋼的硬度影響曲線。

2 實驗結果及分析

2.1 退火溫度對組織和性能的影響

采用常規退火工藝對Cr12鋼進行熱處理后，合金的布氏硬度為227 HB。在均勻化熱處理工藝中，由于退火溫度采用1 020℃時，合金的布氏硬度都要高于常規退火工藝處理后的硬度，不利于再加工，所以下文不再對退火溫度為1 020℃工藝進行討論。采用均勻化退火工藝對Cr12鋼進行不同工藝熱處理實驗后，合金的布氏硬度結果如圖3所示。由圖3可知，隨著退火溫度的增加，合金布氏硬度呈先降后升變化，當退火溫度為940℃時，硬度最低。其中，將試樣加熱到940℃，等溫段控制在730℃、保溫90 min后，合金的布氏硬度值可以降到200 HB以下，比常規退火工藝的硬度易于切割。

圖3 退火溫度對Cr12鋼硬度的影響Fig.3 Effect of Annealing Temperature on Hardness of Cr12 Steel

Cr12鋼采用常規退火工藝與在不同溫度均勻化熱處理工藝下降溫至730℃保溫60 min后得到的組織狀態如圖4所示。由圖可以看出，隨著退火溫度的升高，碳化物的溶解量增加，并且在一開始的等溫段時，顆粒碳化物隨著溫度的升高，析出變少。與此同時，碳化物不均度指標變好。當退火溫度＞980℃時，此時大多數碳化物已經溶解，析出的粒狀二次碳化物數量快速減少。奧氏體化溫度越高，碳化物越少溶解，因為碳化物的溶解會加劇球化作用。Cr12模具鋼采用快速預冷帶有等溫段的退火工藝，利用理論的結晶溫度與實際結晶溫度的差值，也就是增加溫度的差值從而調整球化速率。所以，相應的碳化物顆粒球化率高，組織細小均勻，同時具有良好的硬度。所以，常規退火工藝可以被均勻化退火工藝取代。

圖4 不同退火工藝下的組織狀態Fig.4 Microstructures of Cr12 Steel by Different Annealing Processes

2.2 退火等溫段保溫時間對組織和性能的影響

采用730℃保溫處理，不同的等溫段保溫時間對Cr12鋼硬度的影響見圖5。

圖5 不同等溫段保溫時間對Cr12鋼硬度的影響Fig.5 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Hardness of Cr12 Steel

由圖5可知，采用730℃保溫處理，隨著保溫時間的延長，硬度逐漸降低。如果等溫段保溫時間低于60 min，硬度急劇降低；在等溫段保溫時間>60 min，隨著等溫段保溫時間的延長，硬度的遞減趨勢不明顯。分別選取最低與最高的退火溫度，經過不同溫度退火并采用730℃保溫處理，不同等溫段保溫時間對Cr12鋼顯微組織的作用規律如圖6所示。由圖6（a）、（c）可知，采用730 ℃保溫處理30 min后析出的二次碳化物大多數呈現細點狀分布，此時是逐點連接，顆粒尺寸較小，但硬度很高。隨著等溫段時間的延長，這些點狀碳化物彼此分離。實際上，碳化物二次析出的實質過程是由點狀到顆粒狀演變的過程。隨著等溫段保溫時間的延長，二次析出碳化物的形態產生了變化，尺寸變大并不斷粗化，同時二次析出碳化物的析出速度加快，析出量提升。

圖6 不同等溫段保溫時間對Cr12鋼顯微組織的影響Fig.6 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Microstructures of Cr12 Steel

保證奧氏體中殘留大部分的未溶碳化物質點是模具鋼球化退火工藝最主要的目標，在A1點以下的等溫段保溫處理過程中，這些未溶碳化物質點周圍的碳原子將以碳化物質點為核心，通過擴散不斷發生析出、聚集與球化。并且，得到的低碳區域可以促進鐵素體形成和生長。常規退火在高溫轉變階段，原子擴散能力強，但理論結晶溫度與實際結晶溫度的差值（過冷度）較小，由于新舊階段之間的自由能差異較小，因此相變的驅動力較小，從而導致相變速率慢［6］。在該階段中，快速預冷有利于提高過冷度，并提升高溫過渡階段的相變驅動力。Cr12鋼的等溫轉變曲線［7］如圖7所示。

圖7 Cr12鋼（2.02%碳）奧氏體等溫轉變曲線Fig.7 Austenite Isothermal Transformation Curves of Cr12 Steel（2.02%Carbon）

由圖7可知，Cr12鋼快速冷卻至400℃左右會產生不穩定的過冷奧氏體。因為過冷度大，所以過冷奧氏體的穩定性差，蓄積大量的能量，此時快速加熱到730℃保溫，使得蓄積的能量突然釋放。由于高的轉變溫度和快速的原子擴散，完成了面心立方晶格向體心立方晶格的轉變；奧氏體組織向鐵素體組織的轉變；同時，還有未溶于基體的碳化物球化和聚集的過程轉變［8］。所以，通過快速預冷工藝可以提高過冷度，進而加速Cr12鋼組織的球化反應，最終在常規工藝基礎上可以將熱處理工藝時長減少1/8至1/10。實驗表明，在860～940℃的退火溫度下，將等溫段溫度控制在730℃，可以獲得分布均勻度較高，形態較小的碳化物和合理的球化組織，且該組織硬度適宜。

2.3 回火溫度對硬度的影響

圖8 顯示了不同回火溫度對Cr12鋼的硬度影響，該曲線與一般的回火定律基本相同。在200℃附近回火熱處理時，可以獲得高硬度，此時，不能改善抗壓強度，所以適宜在硬度需求高且承受壓力不高的情況使用；在500℃附近回火熱處理時，可以獲得較低硬度，由于此時不能改善其韌性，所以適宜在較低沖擊環境進行使用；在400℃附近進行回火熱處理時，材料檢驗的性能較為合適，可以保證硬度、抗壓強度以及符合常規使用的韌性。綜上所述，結合Cr12系列模具鋼的特性，需要根據模具鋼的用途制定熱處理工藝，以滿足更多客戶需求。

圖8 回火溫度對硬度的影響Fig.8 Effect of Tempering Temperature on Hardness of Cr12 Steel

3 結論

（1）常規退火工藝合金的布氏硬度為227 HB，采用均勻化退火工藝，將試樣加熱到940℃，將等溫段控制在730℃后，合金的布氏硬度可降到200 HB以下，更易于切割。

（2）通過回火沉淀的碳化物是非常細小而且分散相對均勻的顆粒，較低溫度的回火處理可以阻礙貝氏體的轉變，保證其穩定性。

（3）結合Cr12系列模具鋼的特性，需要針對模具鋼的使用用途來制定熱處理工藝，在400℃附近進行回火熱處理時，材料的性能較為合適，不僅可以保證硬度和抗壓強度，還有符合常規使用的韌性。