調質處理對Cr8MoWV3Si鋼組織及性能的影響

魏麗艷

(甘肅鋼鐵職業技術學院,甘肅 嘉峪關 735100)

0 引言

Cr8MoWV3Si鋼是在8Cr8MoV3Si成分的基礎上開發出來的一種應用型極強的冷作模具鋼,與基體鋼相比,具有較高的含碳量及釩含量、鉻含量、鉬含量、鎢含量等碳化物形成元素,可提高淬透性,令鋼具有很強的韌性基體及細小均勻分布的一些特殊碳化物組織,使其具有高耐磨性及高韌性[1]。該鋼在回火過程中有明顯的二次硬化效應,并由此產生力學性能及耐磨性能的變化。鉻(Cr)是自然界中硬度最大的金屬,在地殼中的含量為0.01%。呈游離態的鉻比較罕見,通常存在于鉻鉛礦中,熔點為1907 ℃,密度7.19 g/cm3,呈銀灰色,有金屬光澤。純鉻具有延展性,可溶于強堿性溶液中,具有很高的耐腐蝕性能。晶格類型為體心立方晶格,電負性1.66(鮑林標度),在自然界中氧化非常緩慢,且不溶于水,電鍍到金屬表面可以起到防護裝飾作用。自然界中的鉻元素主要以化合物的形式存在于一些礦石中。在冶金工業中,金屬鉻主要由鉻鐵礦生產得到,可用于冶煉特種合金,是航空業、造船業、汽車業及軍工企業不可缺少的原材料。Cr8MoWV3Si鋼中的鉬(Mo)是一種銀白色金屬,由于原子間的結合力非常強,具有很高的強度及硬度,熔點2620 ℃,密度10.20 g/cm3,電負性2.16(鮑林標度),屬于體心立方晶系。鉬的熔點很高,是一種難溶性金屬,膨脹系數小,導熱性能好,導電率很大。常溫下,鉬金屬不與鹽酸及堿溶液發生化學反應,但可以溶于濃硫酸或王水中。鉬與鉬合金在農業、航天等領域有著廣泛的應用,是重要的稀有金屬,可有效提高鋼的強度、韌性、抗蝕性能及耐磨性能,還可以改善鋼的焊接性能及耐熱性能。在鋼鐵冶煉的整個過程中,鉬不容易發生化學反應,作為一種碳化物形成元素可與其他元素混合使用[2]。

1 實驗過程

對Cr8MoWV3Si鋼分別采用1100 ℃、1130 ℃、1160 ℃淬火,油冷,回火溫度分別為500 ℃、525 ℃、550 ℃,回火3次,每次1 h。制備試樣,分別對各個試樣進行硬度測試。切割、鑲嵌試樣,磨制,拋光,腐蝕,在光電顯微鏡下進行試樣的金相組織觀察及分析。對試樣進行能譜組織分析及掃描電鏡金相組織分析。進行力學性能測試,包括拉伸試驗、硬度實驗、沖擊韌性試驗。

2 結果及討論

2.1 顯微組織

Cr8MoWV3Si鋼淬火后的組織為馬氏體+殘余奧氏體,性能表現為硬而脆,內部存在淬火應力,不能直接使用,否則會產生變形并開裂,故淬火后的鋼件必須進行回火處理[3]。雖然回火溫度不高,冷卻也不劇烈,但發生的組織轉變卻非常復雜,總的趨勢是隨著回火溫度的增加,馬氏體中的過飽和碳化物將被析出[4],殘留的奧氏體不斷轉變,鐵素體向多邊形發生轉變,碳化物聚集并長大,產生的淬火應力不斷降低并消失。Cr8MoWV3Si鋼的回火組織只取決于回火溫度的高低,與冷卻方式無關,本試驗中Cr8MoWV3Si鋼的回火溫度為500 ℃～550 ℃,回火后的組織為回火索氏體+殘余奧氏體+碳化物,其組織特點是在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀的滲碳體。在Cr8MoWV3Si鋼中,因為合金元素的擴散比較緩慢且妨礙碳原子的擴散速度[5],尤其妨礙了碳化物的不斷聚攏及生長,因此在較高的回火溫度下碳化物仍能保持均勻彌散分布的細小顆粒,使鋼的硬度不僅沒有下降,反而再次提高。1100 ℃淬火后,在不同溫度下進行回火處理,得到的顯微組織如圖1所示,由顯微組織比較得出,當回火溫度不斷上升時,殘余奧氏體數量不斷減少,由于殘余奧氏體數量減少,Cr8MoWV3Si鋼的強度及硬度升高而塑性韌性下降,碳化物數量則隨著回火溫度的升高而逐漸增加[6],經550 ℃左右回火處理后,回火析出的二次碳化物聚集并長大,降低了二次硬化效應[6],故Cr8MoWV3Si鋼經1100 ℃淬火+550 ℃回火后的硬度比其他兩種溫度回火后的硬度要低。

(a)、(b)500 ℃ (c)、(d)525 ℃ (e)、(f)550 ℃。

2.2 硬度

淬火后的鋼件在不同溫度下經過回火處理,得到的顯微組織大不相同,故其力學性能也將發生明顯的變化。硬度是淬火鋼在回火時變化最為明顯的力學性能指標,也是確定回火溫度的依據。在200 ℃以下回火時,由于馬氏體中極多的ε碳化物呈彌散狀分布并析出,鋼的硬度下降得不明顯;在200 ℃～300 ℃回火時,由于鋼中的殘余奧氏體轉變為回火的馬氏體,會減慢硬度下降的速度;在300 ℃以上回火時,由于滲碳體析出并長大及馬氏體中碳的質量分數下降,鋼的硬度直線下降[7]。Cr8MoWV3Si鋼的硬度主要取決于鋼中馬氏體的碳含量,而馬氏體的硬度則主要取決于其中碳的質量分數,碳的質量分數越高,馬氏體的硬度越高,碳的質量分數越低,這種關系越明顯。馬氏體中碳的質量分數取決于奧氏體化的溫度及時間。從表1、表2可以看出,Cr8MoWV3Si鋼具有二次硬化現象,在不同淬火溫度下會出現二次硬化現象且對應的回火溫度都不相同。在1100℃的淬火溫度下進行淬火處理,在500 ℃～525 ℃回火將出現二次硬化峰值,在1130 ℃的淬火溫度下進行淬火處理,在525 ℃左右回火將出現二次硬化峰值[6],但在1150 ℃淬火處理后,在560 ℃左右回火沒有出現二次硬化的峰值[8-10]。二次硬化現象與熱處理回火后析出的物質有關,當回火溫度低于450 ℃時,回火后的鋼中將會形成滲碳體組織,當回火溫度達到450 ℃以上時,生成的滲碳體將會被分解,Cr8MoWV3Si鋼中開始沉淀出彌散穩定的難溶碳化物[6],如Mo2C、W2C、VC等,令硬度重新提高[7],故出現二次硬化現象。此外,回火時冷卻過程中殘留的奧氏體轉變為馬氏體的二次淬火,也可導致二次硬化現象出現。

表1 不同淬火溫度下的硬度

表2 不同淬火溫度及3次回火(每次1 h)后的硬度HRC

2.3 強度、韌性

調質處理是零構件常用的一種熱處理方法。合金元素通過對回火過程的間接影響可推遲或延緩鋼的回火過程,提高回火穩定性。Cr8MoWV3Si鋼中的合金元素大多可以減緩奧氏體化過程,特別是強碳化物形成元素如Gr、Mo、W及V等,與碳有很強的親和力,急劇減緩了碳原子在鋼中的擴散速度,奧氏體的形成過程也減慢。淬火鋼回火轉變的共同特點是屬于擴散型相變,合金元素在影響鋼在回火后的組織及性能。從表3可以看出,同一淬火溫度下的試樣Cr8MoWV3Si鋼隨著回火溫度的上升,強度降低,沖擊韌性上升。

表3 Cr8MoWV3Si鋼力學性能

3 結論

Cr8MoWV3Si鋼在525 ℃左右回火會產生明顯的二次硬化,在不同淬火溫度下出現二次硬化現象時對應的回火溫度不同。從力學性能來看,通過調節熱處理參數可以獲得良好的強韌性。隨著回火溫度的升高,Cr8MoWV3Si鋼的強度下降,沖擊韌性上升。Cr8MoWV3Si鋼調質處理后的組織為回火索氏體,具有良好的綜合力學性能,在保持較高強度的同時具有良好的塑性及韌性。