馬春宇，袁軍平，薄海瑞

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)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(yè)應(yīng)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(yè)的生產(chǎn)難題之一。精密冷鍛模具對(duì)模具材料要求的特殊性主要體現(xiàn)在：一方面，由于冷鍛模具受力更大，與冷作沖壓模具側(cè)重于提高模具的硬度和耐磨性不同，精密冷鍛模具對(duì)力學(xué)性能的要求更側(cè)重于韌性和硬度的合理匹配，從而避免因硬度過(guò)低而導(dǎo)致的模具凹陷，或硬度過(guò)高、韌性過(guò)低而導(dǎo)致的模具開裂；另一方面，精密冷鍛模具的最高硬度受到嚴(yán)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(jìn)行雕刻，硬度太高會(huì)導(dǎo)致雕刻過(guò)程中頻繁斷刀。因此，需要根據(jù)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(jìn)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(chǔ)上改進(jìn)得到的，在常規(guī)的熱處理?xiàng)l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(guó)內(nèi)外對(duì)DC53模具鋼熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化的相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)較少［1－2］，對(duì)DC53等高合金模具鋼增加一道預(yù)調(diào)質(zhì)處理工藝（1 080℃淬火＋700℃回火）之后再進(jìn)行最終的淬火和回火熱處理，會(huì)因?yàn)轭A(yù)調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中較高的淬火溫度促進(jìn)碳化物及合金元素的充分溶解，使其在回火過(guò)程中再均勻彌散析出，碳化物及合金元素的形態(tài)、大小和分布得到改善，有利于提高模具的強(qiáng)韌性，但預(yù)調(diào)質(zhì)處理對(duì)DC53最終淬火回火行為的影響規(guī)律并未見文獻(xiàn)報(bào)道，因此，作者詳細(xì)研究了預(yù)調(diào)質(zhì)處理對(duì)DC53模具鋼的淬火、回火行為以及對(duì)硬度、韌性匹配的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為日本大同DC53模具鋼，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為0.95C，0.92Si，0.38Mn，0.005S，0.02P，0.812Cr，2.06Mo，0.17V；用線切割機(jī)床加工尺寸為10mm×10mm×55mm的無(wú)缺口沖擊試樣若干個(gè)用于熱處理后的沖擊性能檢測(cè)。在文獻(xiàn)［1－5］推薦的強(qiáng)韌化熱處理工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，確定了4種典型的熱處理制度（對(duì)應(yīng)4種試樣），如表1所示，試樣2～4增加了預(yù)調(diào)質(zhì)處理，其中淬火、回火的保溫時(shí)間均為20min。采用箱式電阻爐加熱、開放式淬火油桶進(jìn)行冷卻。

采用HR－150型洛氏硬度計(jì)測(cè)硬度，取3點(diǎn)的平均值；沖擊試驗(yàn)采用JB30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，沖擊能量為0.3kN·m或0.15kN·m，取3個(gè)試樣的平均值；將供貨態(tài)及熱處理態(tài)的模具鋼制備成金相試樣，用體積分?jǐn)?shù)為5%的硝酸酒精腐蝕后采用OPTEC－DV200型光學(xué)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(yàn)鋼的熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of tested steel

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)顯微組織的影響

由圖1可以看出，供貨態(tài)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(xì)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(jīng)過(guò)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(shuō)明預(yù)調(diào)質(zhì)處理促進(jìn)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(méi)有試樣1充分。其原因是在低溫回火（200℃）過(guò)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(jìn)行得均不夠充分，故在試樣基體內(nèi)仍存在著亞穩(wěn)定態(tài)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(xì)小的顆粒狀碳化物，這說(shuō)明中溫回火能獲得較為理想的回火組織。對(duì)于一般的高碳鋼來(lái)說(shuō)［6－8］，在100℃左右回火時(shí)，硬度會(huì)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(dǎo)致硬度稍有上升；200～300℃回火時(shí)，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(shì)比較平緩；300℃以上回火時(shí)，由于ε－碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體、共格關(guān)系被破壞以及滲碳體聚集長(zhǎng)大等因素導(dǎo)致硬度呈直線下降趨勢(shì)。但是對(duì)于經(jīng)預(yù)調(diào)質(zhì)的試樣來(lái)說(shuō)，由于預(yù)調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致其淬火態(tài)殘余奧氏體的比例較高，因此即使在400℃左右回火時(shí)，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?yàn)榛鼗饻囟忍?，從而?dǎo)致碳化物聚集、長(zhǎng)大以及淬火馬氏體完全分解。

2.2 對(duì)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(huì)在模具型腔加工成形過(guò)程導(dǎo)致頻繁斷刀，但試樣4的硬度值明顯偏低，可能會(huì)在模具服役過(guò)程中出現(xiàn)凹陷而導(dǎo)致失效，不能滿足精密冷鍛模具對(duì)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(yōu)異。

綜合比較各試樣在硬度、沖擊韌性等方面的表現(xiàn)，試樣3具有相對(duì)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(chǎn)。

與賈慈力［1］等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，增加預(yù)調(diào)質(zhì)處理能起到兩個(gè)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(yù)調(diào)質(zhì)處理能促進(jìn)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(diào)為76.7，111.0，90.4J，可以看出未經(jīng)預(yù)調(diào)質(zhì)處理的DC53模具鋼在200℃時(shí)即回火充分，并獲得了較佳的韌性，400℃出現(xiàn)回火脆性，600℃韌性提高但硬度大幅下降。而經(jīng)預(yù)調(diào)質(zhì)處理的DC53模具鋼在200℃回火時(shí)，韌性較差，這是因?yàn)轭A(yù)調(diào)質(zhì)處理促進(jìn)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(shí)，韌性相對(duì)最佳，硬度未有明顯下降，這是因?yàn)轭A(yù)調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致其淬火態(tài)殘余奧氏體比例較高，即使在400℃左右回火時(shí)，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(shí)，韌性較差，這是因?yàn)榛鼗饻囟忍?，從而?dǎo)致的碳化物聚集、長(zhǎng)大以及淬火馬氏體完全分解，這與對(duì)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(duì)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(zhǔn)解理斷裂模式的特征，且存在大量二次裂紋，這是因?yàn)樘蓟锛昂辖鹪厝芙獠怀浞?，試樣中存在大塊碳化物等不連續(xù)體，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊時(shí)，即沿大塊碳化物斷裂并產(chǎn)生二次裂紋，致使其沖擊功降低，這與其沖擊試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(jié) 論

（1）對(duì)于經(jīng)過(guò)球化處理的DC53模具鋼，在最終熱處理前增加一道預(yù)調(diào)質(zhì)處理，能顯著降低其硬度，改善其沖擊韌性。

（2）DC53模具鋼預(yù)調(diào)質(zhì)處理、淬火后在400℃回火能獲得相對(duì)理想的硬度和韌性配比。

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