鄔志軍，林 華，李占妮

(皖西學院 機械與車輛工程學院，安徽 六安 237012)

調制工藝對Cr鋼組織和性能的影響

鄔志軍，林 華，李占妮

(皖西學院 機械與車輛工程學院，安徽 六安 237012)

Cr合金鋼的預硬化狀態(tài)及其組織性能對鋼材的使用具有重要影響，而調質工藝的選擇優(yōu)化可以獲得良好的預硬化狀態(tài)。本文通過設計熱處理實驗，探究了不同的淬火溫度和回火溫度狀態(tài)下3Cr2Mo合金鋼的組織性能狀態(tài)，分析了該鋼材的硬度、沖擊韌性和力學性能的變化，從而確定了熱處理的最佳工藝。研究表明，該鋼材通過900℃油淬1h+550～620℃空冷回火處理后可以獲得最佳的硬度狀態(tài)，強韌性均能夠達到使用要求。

Cr合金鋼；調質工藝；組織性能

Cr合金鋼具有良好的物理化學性能，是目前塑料模具廣泛采用的一種鋼材。鋼中添加了Cr元素，材料的性能得到改善，經過大量的研究表明，Cr元素能促進強度、硬度和耐磨性的提高，同時能降低材料的塑性和韌性[1-3]。另外，添加Cr元素后，鋼的抗氧化性和耐腐蝕性有所增強，因此，Cr元素廣泛應用于不銹鋼、耐熱鋼等鋼材中。塑料模具鋼逐漸成為主要的模具用材，塑料模具鋼應保證足夠的強度，且對鋼材的純凈度、光整度具有很高要求，同時，塑料模具鋼需要具有良好的預硬化性能。在預硬化狀態(tài)下，塑料模具鋼的硬度、組織的致密程度是保證模具鋼質量的重要因素。Cr合金鋼是我國在引進美國塑料模具鋼的基礎上研發(fā)出的一類合金鋼，Cr合金鋼需要進行一定的熱處理來獲得良好的預硬化性能，我國已經將一系列的Cr合金鋼納入了國家標準，比如3Cr2Mo合金鋼和3Cr2MnNiMo鋼[4-5]，這些鋼材已經得到了廣泛的應用。但是在實驗室研發(fā)階段，對于一些已經標準化合金鋼元素的鋼材來說，對鋼材的加工和熱處理就顯得尤為重要，如何進行合理的調質處理來獲得良好的預硬化狀態(tài)對鋼材自身具有重要意義，且更加滿足模具鋼的要求[6-9]。預硬化狀態(tài)可以通過合理的控制淬火、回火溫度和時間來確定最佳狀態(tài)，良好的工藝可以實現(xiàn)合金鋼組織中的高溫組織改善、晶粒細化程度，從而改善硬度、韌性等綜合性能[10]。

本文選擇了一種含Cr的合金鋼3Cr2Mo 塑料模具鋼作為研究對象，研究了該模具鋼的熱處理工藝，通過改變淬火溫度、回火溫度研究材料的硬度、沖擊韌性、組織分布等內容，通過歸納確定該模具鋼的最佳預硬化熱處理工藝。

1 實驗材料與方法

本文選擇了一種國家標準的含Cr合金鋼3Cr2Mo，這種鋼材的主要元素包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Al、Fe。從目前已經獲得的數(shù)據(jù)可以得到該合金鋼的膨脹曲線及DSC曲線，升溫的臨界點Ac1=760℃，Ac3=820℃，根據(jù)膨脹法進行實驗得到的臨界點為330℃[11]，這些參數(shù)為本實驗的結果分析提供參考。調質處理中淬火溫度設置為770℃、810℃、850℃、890℃、930℃、970℃、1010℃、1050℃、1090℃、1130℃、1170℃、1210℃，經過1h保溫處理后在油液中進行淬火處理，通過光學掃描顯微鏡觀察組織情況，采用拉力測試儀進行力學性能測量，采用硬度測量儀測量硬度。設計對比試驗，設計630℃回火處理3h，再測量硬度和沖擊韌性。沖擊試樣采用規(guī)模為10mm×10mm×55mm?；鼗鹛幚淼臏囟仍O置為500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃，目前通常的回火時間為1～3h，本文的回火時間選擇2h，回火處理后進行空冷處理，在掃描電鏡下觀察組織情況，在拉力測試儀和沖擊測量儀上測定力學性能和沖擊韌性。

2 實驗結果與分析

2.1 淬火溫度變化對合金鋼組織性能的影響

表1是實驗測量的結果，包括淬火硬度和沖擊韌性。為直觀看出淬火溫度變化對硬度的影響，繪制淬火溫度和硬度變化的曲線如圖1，淬火溫度和沖擊韌性變化的曲線如圖2。

表1 淬火溫度對Cr合金鋼性能的影響

圖1 淬火溫度和硬度的變化關系曲線圖

從圖1可以看出，在810℃以下進行淬火處理，硬度值相對偏低，提高淬火溫度時，硬度值逐漸增加，增加速度較快。淬火溫度在850～930℃范圍內變化時，合金鋼的硬度變化相對平緩，在53HRC左右變化，這就表明，這種合金鋼的淬火區(qū)間較大。淬火溫度增大到950℃以上時，硬度值呈現(xiàn)下降趨勢，并且下降的趨勢比較明顯。在對比試驗中，通過不同的淬火溫度經過630℃回火處理，硬度總體變化比較平緩，呈現(xiàn)先緩慢上升再緩慢下降的趨勢。由圖1中可以明顯看出，經過回火處理后，合金鋼的硬度值整體偏小的。在合金鋼內部，隨著奧氏體溫度升高，組織中的板條馬氏體的數(shù)量增加，由于板條馬氏體的位錯密度較大，強韌性相對較好。

圖2表示在不同的淬火溫度下進行630℃回火處理3h，合金鋼的沖擊韌性變化情況。從圖2可以看出，沖擊韌性存在最大值，即在淬火溫度為930℃時，沖擊韌性最大，為210J/cm2。當淬火溫度小于930℃時，沖擊韌性隨著淬火溫度的增加不斷增加，高于930℃時，沖擊韌性隨著淬火溫度的增加而減小。

圖2 淬火溫度和沖擊韌性的變化關系曲線圖

圖3 不同淬火溫度下的金相組織

分析圖3不同淬火溫度下的金相組織：隨著淬火溫度的增加，奧氏體的溫度增加，碳化物逐漸進入到奧氏體中，此時組織中含有較多的針狀馬氏體，組織成分較多且分布并不均勻，這說明淬火溫度并不高。增加淬火溫度時，在850～930℃范圍內，組織中的馬氏體全部轉化為板條馬氏體。當溫度增加到1000℃時，奧氏體的晶粒變大，碳化物充分固溶，板條馬氏體變得粗大，晶粒粗大，硬度和沖擊韌性均降低。在對比試驗中，回火處理可以提高板條馬氏體的位錯密度，碳化物擴散的程度增加，硬度增加，板條馬氏體和殘留奧氏體的配合程度達到一種最佳狀態(tài)，從而獲得了最佳的硬度和沖擊韌性。

通過上面的分析可以得出結論：該種模具鋼最佳淬火區(qū)間為850～930℃，在這個溫度區(qū)間進行淬火處理可以獲得平穩(wěn)的、較高的硬度值和最佳的沖擊韌性。

2.2 回火溫度變化對合金鋼組織性能的影響

表2是進行回火處理的合金鋼特性參數(shù)?？梢钥闯觯煌幕鼗饻囟认?，合金鋼的沖擊韌性、硬度、力學性能均有所區(qū)別。

表2 回火溫度對Cr合金鋼性能參數(shù)影響表

圖4和圖5分別顯示這些性能參數(shù)的變化趨勢。

圖4 回火溫度和沖擊韌性的關系曲線圖

圖4 表示回火溫度和沖擊韌性的變化曲線，隨著回火溫度的不斷增加，該模具鋼的沖擊韌性不斷增加。結合圖6進一步分析合金鋼的內部組織，合金鋼的端口形貌隨著回火的溫度變化而變化。當回火溫度較低時，即在550℃以下時，斷面發(fā)生較大面積的解理現(xiàn)象，韌口窩狀物數(shù)量較小；回火溫度在575℃時，端口形貌可以看出解理現(xiàn)象較少，韌口窩狀物的數(shù)量增加；回火溫度進一步提高時，合金鋼斷口處發(fā)生了較大的變化，出現(xiàn)了大量的范圍大而且深的韌口窩狀物，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)窩狀物的底部產生了許多碳化物的細小粒子。這表明回火溫度的增加可以逐步增加合金鋼組織的韌口窩狀物(韌窩)，從而提高合金鋼的沖擊韌性。

圖5 回火溫度與硬度的關系曲線圖

圖5表示回火溫度與合金鋼硬度關系，總體看來，合金鋼的硬度隨著回火溫度的增加而降低。結合圖6進一步分析組織物質可以發(fā)現(xiàn)，當回火溫度增加時，組織中的板條馬氏體的數(shù)量逐漸減少，由于板條馬氏體的位錯密度降低，從而導致合金鋼的硬度降低。合金鋼的硬度降低的速度較快，從210HRC下降值30HRC。對比圖1可知，當增加了回火處理工藝時，合金鋼的整體硬度顯著下降，這與該次實驗的結果是相符合的?；鼗饡е潞辖痄搩炔康奶蓟飻U散溶解，奧氏體的溫度增加，板條馬氏體變得粗大，位錯密度保持減小的狀態(tài)，導致該模具鋼的硬度下降。

圖6 不同回火溫度對沖擊斷口形貌的影響

圖7 回火溫度和伸長率的關系曲線圖

圖7表示回火溫度和伸長率的變化關系，該實驗是在870℃油淬處理后，在不同的回火溫度下進行的回火2h處理。圖中可看出隨著回火溫度的不斷增加，合金鋼的伸長率也逐漸增加，且變化的速度相對穩(wěn)定。結合圖6進一步分析，回火溫度的增加，在淬火后的合金鋼組織中，板條馬氏體的特征逐漸削弱，碳化物不斷形成，板條馬氏體中板條角度較小的界面逐漸消失，馬氏體的板條界面面積快速的減少，大角度的板條特征被固定，淬火馬氏體的板條特征逐漸粗化，在較高的回火溫度時可以保持一定的相位特征和板條邊界形貌?；鼗饻囟冗_到700℃時，一些板條特征已經消失，碳化物發(fā)生明顯粗化。在回火過程中，馬氏體碳含量逐漸減小，其固溶強化作用逐漸降低，合金鋼的硬度逐漸下降。殘余奧氏體中的分解作用并不能顯著提高硬度，但是當碳化物析出較多時，基體中的碳化物含量減少，這兩者達到平衡后，碳化物的強化作用就明顯增強?；鼗饻囟乳_始升高時，殘留奧氏體沒有分解，阻礙了板條馬氏體的分解，碳化物析出，可以消除淬火應力?；鼗饻囟壬吆?，韌性增加，奧氏體的分解速度加快，晶界強度下降，阻礙作用減弱，使沖擊韌性降低。恢復與再結晶作用在板條馬氏體析出作用下成為了主導作用，沖擊韌性進一步增加。直到回火溫度高于660℃時，回火組織粗化，碳化顆粒物聚集，韌性降低。

圖8 回火溫度與硬度指標的關系變化曲線圖

圖8是在圖5同樣的實驗條件下進行的，Rm和Pp0.2表示合金鋼鋼的強度指標，隨著回火溫度的增加，合金鋼強度指標的數(shù)值均呈現(xiàn)下降趨勢，這與圖5所示的硬度的變化趨勢相當。綜合分析可以得到回火強化的原因包括：回火過程中，組織中的會產生一種彌散狀態(tài)的碳化物造成沉淀強化；在溫度逐漸增加的過程中，組織中的殘余奧氏體發(fā)生了轉化，產生了馬氏體、貝氏體、珠光體中，造成相變硬化?；鼗疖浕囊蛩乜梢詺w納為：由于碳化物的不斷析出，組織中的馬氏體固溶強化作用逐漸減弱；隨著α再結晶作用，馬氏體中的位錯強化現(xiàn)象逐漸減?。惶蓟镌谳^高的回火溫度下，物質會發(fā)生聚集增加的現(xiàn)象，從而第二相的沉淀強化效果就明顯降低了。由于組織發(fā)生了硬化同時也產生了組織軟化，且軟化的效果大于強化的效果，強化因素成為了主導因素，并且軟化因素在回火溫度增加時不斷強化，強化因素在較高溫度下的作用會明顯減弱，所以在高于600℃的回火溫度時，軟化作用加強，導致模具鋼硬度和強度降低。

3 結論

(1)3Gr2Mo模具鋼的淬火區(qū)間較長，在850～930℃范圍內獲得組織為板條馬氏體、殘余奧氏體以及碳化物，此時組織較為均勻，使得合金鋼的硬度和沖擊韌性達到較高水平。

(2)該模具鋼在870℃油淬后進行回火處理，隨著回火溫度增加，淬火馬氏體減少，相位和板條形狀仍然保持，在570～630℃范圍內，硬度達到了最佳狀態(tài)，韌性可以滿足實驗要求。

(3)在850～930℃油淬后進行570～630℃回火，該模具鋼的組織的調質處理為最佳，并且可以獲得良好的組織和力學性能，獲得可以滿足模具鋼使用的預硬化狀態(tài)。

[1]夏德貴.0Cr17Ni4Cu4Nb馬氏體沉淀硬化不銹鋼耐海水腐蝕性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2007.

[2]劉宗昌,計云萍,段寶玉，等.板條狀馬氏體的亞結構及形成機制[J].材料熱處理學報，2011(3):56-61.

[3]蔣良.熱處理工藝對3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響[D].南京：南京理工大學,2007.

[4]李紅英,曾翠婷,王法云，等.調質工藝對3Cr2Mo鋼組織和性能的影響[J].材料熱處理學報，2011,32(3)：120-126.

[5]關秀格.熱處理工藝對20Mn2Si2Cr鋼組織性能的影響研究[D].沈陽：東北大學，2013.

[6]魯思淵.熱處理工藝對Cr13型塑料模具鋼組織與耐蝕性影響研究[D].北京：清華大學，2015.

[7]隋鶴龍.新型高Cr熱作模具鋼的組織與性能[D].長春:吉林大學，2006.

[8]張偉，吳曉春，閔永安.奧氏體化溫度對10Ni3MnCuAl鋼貝氏體轉變動力學的影響[J].材料熱處理學報，2008，29(6):78-81.

[9] Dai W,Liu J,Geng D,et al.Microstructure and property of diamond-like carbon films with Al and Cr co-doping deposited using a hybrid beams system[J].Applied Surface Science,2015(388):503-509.

[10] Guan X,Wang Y,Zhang G,et al.Microstructures and properties of Zr/CrN multilayer coatings fabricated by multi-arc ion plating[J].Tribology International,2017(106):78-87.

[11] Chen W,Zheng J,Meng X,et al.Investigation on microstructures and mechanical properties of AlCrN coatings deposited on the surface of plasma nitrocarburized cool-work tool steels[J].Vacuum,2015,121:194-201.

(責任編輯：王子君)

Influence of Modulation Technology on the Microstructure and Mechanical Properties of Cr Steel

WU Zhijun,LIN Hua,LI Zhanni

(West Anhui University,Liuan 237012,China)

The pre hardening state and microstructure & properties of Gr alloy steel have an important influence on the use of steel.The optimization of conditioning process can result in good pre hardening state.Based on the design of heat treatment experiment,the microstructure and properties of 3Cr2Mo alloy steel under different quenching and tempering temperatures were investigated.The hardness,impact toughness and mechanical properties of the steel were analyzed.The optimum process of heat treatment is determined.The results show that the steel can get the best hardness condition after 900-hour oil quenching at +550～620℃.At this time,strength and toughness can meet the applied requirements.

Cr alloy steel;tempering process;organizational performance

2016-11-11

皖西學院校級自然科學研究重點項目(KJ103762015B03)；皖西學院校級自然科學研究重點項目(WXZR201623)

鄔志軍(1971—)，男，講師，研究方向：機械設計、機械材料研究。

1003-1251(2017)02-0093-06

TG161

A