Cr12MoV鋼的淬火回火工藝

陳 庚，苗景國，方 琴，苗 驍，吳 迪

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，四川 德陽 618000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

Cr12MoV鋼是一種典型的模具鋼，主要用于制作需要較大承載力、較高耐磨性且形狀相對復(fù)雜的大型冷作模具[1]。由于其工作環(huán)境對模具本身質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，熱處理工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量起到了決定性作用。目前，已有不少學(xué)者對Cr12MoV鋼的熱處理工藝進(jìn)行了研究。高玉芳等[2]研究了球化退火工藝對Cr12MoV鋼炭化物形態(tài)、晶粒大小和力學(xué)性能的影響；黃元盛等[3]研究了滲氮處理對Cr12MoV鋼組織和性能的影響；孫瑜[4]研究了深冷處理對Cr12MoV鋼組織和性能的影響；鄧小虎等[5]研究了不同的回火工藝對Cr12MoV鋼組織和力學(xué)性能的影響；鄧?yán)蚱嫉萚6]研究了預(yù)備熱處理工藝對Cr12MoV鋼組織和性能的影響。但是在已知文獻(xiàn)中，一次硬化法下Cr12MoV鋼的組織與性能研究結(jié)果仍存在不小的差別。鑒于此，本研究在一次硬化法下研究Cr12MoV鋼的組織與性能，揭示該方法下，不同的淬火、回火溫度對Cr12MoV鋼的影響規(guī)律，以期獲得更優(yōu)異的熱處理工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用Cr12MoV模具鋼由某公司購得。利用切割機(jī)將φ17 mm的Cr12MoV圓棒原料制成尺寸為φ17 mm×25 mm的金相試樣，通過銑削加工獲得尺寸為12 mm×11 mm×65 mm的U型缺口沖擊試樣。熱處理裝置為SX2-8-3型高溫箱式電阻爐，具體熱處理工藝為：（1）預(yù)備熱處理，采用860 ℃×1.5 h爐冷+750 ℃×7.0 h空冷等溫球化退火；（2）淬火加熱，淬火溫度分別選擇930、960、990、1 020、1 050 ℃，保溫時間為20 min；（3）在最佳淬火溫度下進(jìn)行回火實(shí)驗(yàn)，回火溫度分別選擇180、200、220、240、260 ℃，保溫時間2.0 h。

1.2 檢測方法

用LEICA MDMI5000M+DFC450/M80+IC3D型徠卡金相顯微鏡觀察Cr12MoV鋼的組織和斷口形貌；用HR150A洛氏硬度計(jì)檢測Cr12MoV鋼的硬度（10點(diǎn)取平均值）；用JBS-300B型擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)檢測Cr12MoV鋼的沖擊韌性（5次取平均值）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火、回火工藝對Cr12MoV鋼性能的影響

由圖1（a）可知，隨著淬火溫度的升高，鋼的硬度呈現(xiàn)先升后降的趨勢。當(dāng)淬火溫度上升到960 ℃時，硬度達(dá)到峰值65.2 HRC，進(jìn)一步升高淬火溫度，硬度開始不斷下降，990 ℃之前下降緩慢，超過990 ℃后下降明顯。這是因?yàn)?，鋼在低?60 ℃淬火時，鋼中的碳和合金元素緩慢地溶入了奧氏體，起到了固溶強(qiáng)化的效果。此時，溫度相對較低，組織仍然較小，存在細(xì)晶強(qiáng)化的作用。當(dāng)溫度超過960 ℃時，雖然合金元素及炭化物繼續(xù)溶入奧氏體，使固溶強(qiáng)化效果進(jìn)一步增強(qiáng)，但是由于炭化物減少，對奧氏體晶粒的阻礙作用也開始減小，所以晶粒開始粗大化。雖然990 ℃與960 ℃相差不大，固溶強(qiáng)化效果略有提升，但是不足以抵消晶粒粗大造成的硬度下降問題。進(jìn)一步提高淬火溫度、繼續(xù)粗大晶粒的同時，由于合金元素及炭化物被相繼溶入，奧氏體的穩(wěn)定性增加，殘余奧氏體量開始逐漸增多，導(dǎo)致硬度開始大幅度地下降。

由圖1（b）可知，隨著回火溫度的升高，鋼的硬度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而沖擊韌性剛好相反。其中，硬度從180 ℃時的最大值59.5 HRC降到了260 ℃時的54.4 HRC，沖擊韌性最大值為260 ℃時的8.6 J/cm2。在回火溫度變化范圍內(nèi)，沖擊韌性變化不大，最大值與最小值之間僅相差1.3 J/cm2。這是因?yàn)樵诘蜏鼗鼗饡r，隨著回火溫度的升高，馬氏體中開始析出炭化物，馬氏體固溶度開始下降，隨著溫度的進(jìn)一步升高，炭化物析出量增多，使馬氏體中的含碳量減少，合金度進(jìn)一步下降，固溶強(qiáng)化效果也隨之降低，進(jìn)而引發(fā)硬度降低和韌性提高。雖然炭化物的析出會出現(xiàn)一定程度的彌散強(qiáng)化，但因?yàn)闇囟容^低，析出的炭化物顆粒較細(xì)小，所以其彌散強(qiáng)化效果不強(qiáng)。

圖1 不同淬火、回火溫度下Cr12MoV鋼的力學(xué)性能

2.2 淬火溫度對Cr12MoV鋼組織的影響

將經(jīng)過預(yù)備熱處理的Cr12MoV鋼進(jìn)行不同的淬火溫度加熱，其對Cr12MoV鋼組織的影響如圖2所示。Cr12MoV鋼屬于高碳鋼，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.5%。Cr12MoV鋼的AC1溫度為810 ℃，在本實(shí)驗(yàn)淬火溫度下獲得的組織為奧氏體和炭化物，隨著溫度升高，一部分炭化物會進(jìn)一步溶入奧氏體中，冷卻到室溫后，組織最終轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和炭化物。除此之外，還有一部分殘余奧氏體會形成，如圖2所示。在圖2中，所有淬火溫度下獲得的組織均為馬氏體、炭化物和殘余奧氏體，只是其含量不同、所占比例不同而已。同時，由于高含碳量，此時形成的馬氏體為隱針馬氏體，和殘余奧氏體互相摻雜，不容易區(qū)別。

圖2 不同淬火溫度下Cr12MoV鋼的組織

2.3 回火溫度對Cr12MoV鋼組織的影響

將經(jīng)過960 ℃×20 min油淬處理的Cr12MoV鋼進(jìn)行一次硬化處理，不同的回火溫度對Cr12MoV鋼組織的影響如圖3所示。由圖3可知，回火后的組織均為較細(xì)小的回火馬氏體+炭化物+殘余奧氏體，其中以回火馬氏體組織為主，炭化物和殘余奧氏體的量較少，并且隨著回火溫度的升高，炭化物析出的量有所增加，馬氏體中的含碳量開始減少，進(jìn)一步消除了內(nèi)應(yīng)力，使得韌性增加，與前述結(jié)果一致。

圖3 不同回火溫度下C12MoV鋼的組織

3 結(jié)論

（1）在一次硬化處理中，隨著淬火溫度的升高，Cr12MoV鋼的硬度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，當(dāng)淬火溫度為960 ℃時，獲得了最高硬度65.2 HRC，淬火后的組織主要為隱針馬氏體和殘余奧氏體。

（2）隨著回火溫度的升高，Cr12MoV鋼的硬度呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢，而沖擊韌性剛好相反，回火后的組織主要為細(xì)小的回火馬氏體、炭化物和殘余奧氏體。

（3）經(jīng)過860 ℃×1.5 h爐冷+750 ℃×7.0 h空冷等溫球化退火+960 ℃淬火+200 ℃×2.0 h回火后，Cr12MoV鋼獲得了最佳的綜合性能，此時Cr12MoV鋼的硬度和沖擊韌性分別達(dá)到了58.9 HRC和7.7 J/cm2，滿足了冷作模具鋼的工作需要。