3Cr2W8V鋼形變熱處理研究

張家濤，鐘 毅，孫淑紅，高 鵬，尹建成

(昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，昆明650093)

3Cr2W8V鋼形變熱處理研究

張家濤，鐘 毅，孫淑紅，高 鵬，尹建成

(昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，昆明650093)

3Cr2W8V鋼廣泛應(yīng)用于有色金屬熱鍛、熱擠壓和壓鑄成形.為進(jìn)一步挖掘3Cr2W8V鋼的使用潛力，提高模具材料綜合使用性能和使用壽命，本文開展了針對該鋼的形變熱處理研究，討論了形變溫度、冷卻方式及回火溫度對試樣組織與性能的影響.研究表明高溫形變熱處理不適宜于3Cr2W8V，形變后水冷優(yōu)于空冷，并得出組織性能俱佳的優(yōu)化形變熱處理工藝.

3Cr2W8V;形變熱處理;形變溫度;冷卻方式

3Cr2W8V鋼(美標(biāo)H21)是國產(chǎn)鎢系高耐熱熱作模具鋼，在500℃以上擁有良好的熱硬性、熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性而廣泛用作黑色和有色金屬熱擠壓模和Cu、Al合金的壓鑄模.在溫度高于600℃工作條件下3Cr2W8V不能為中耐熱型熱作模具鋼(如4Cr5MoSiV1)替代，因此目前我國3Cr2W8V鋼的產(chǎn)量仍相當(dāng)巨大［1］.由于含有較多的易形成碳化物的鉻、鎢元素，3Cr2W8V碳化物較多、分布不均勻，沖擊韌性和熱疲勞抗力較差，易產(chǎn)生龜裂且裂紋擴(kuò)展速度大，導(dǎo)致工模具壽命不高，尤其是承受沖擊荷載條件下，壽命很低［2～4］.常規(guī)淬火、回火熱處理可一定程度改善碳化物分布并大幅度降低模具早期失效幾率，但模具綜合使用性能欠佳［5～6］.形變熱處理是另一種通過改善材料組織結(jié)構(gòu)提高模具綜合使用性能從而提高模具使用壽命的熱處理方法.它通過一定方式的形變，利用隨后的熱處理相變，最終使材料(零件)獲得形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合效果，是將壓力加工和熱處理相結(jié)合、使材料性能得到綜合提高的工藝方法.這種方法不但能獲得一般加工法方達(dá)不到的高強(qiáng)度和高韌性的良好組合，而且還能大大簡化金屬材料或工件的生產(chǎn)工藝過程、節(jié)省能源、降低消耗，因而在冶金、機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域受到高度重視［7～10］.形變熱處理在模具鋼生產(chǎn)中的工藝開發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)報(bào)道較少，仍處于摸索階段［11］.本文對3Cr2W8V鋼的形變熱處理工藝及其對組織、性能的影響進(jìn)行了研究，得出碳化物分布均勻、硬度符合要求的形變熱處理制度，以期為進(jìn)一步挖掘3Cr2W8V鋼使用潛力提供基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為國產(chǎn)3Cr2W8V鋼，其化學(xué)成分(wt.%)，如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)用3Cr2W8V鋼試樣的化學(xué)成分(wt.%)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將3Cr2W8V鋼棒線切割為6 mm×10 mm× 120 mm試樣若干.首先將試樣進(jìn)行退火，然后加熱至Ac1以上某一溫度奧氏體化后在不同溫度下進(jìn)行形變熱處理，最后進(jìn)行淬火、回火.具體過程如下.

1.2.1 退火

將3Cr2W8V在真空管式爐中加熱至860℃并保溫2小時(shí)，真空度0.1 Pa，充氬氣保護(hù).

1.2.2 形變熱處理

取退火試樣分別進(jìn)行低溫和高溫兩種形變熱處理，具體處理如下:

1)低溫形變熱處理后空冷:加熱到1100℃，保溫4～5min中后水冷至500℃，進(jìn)行形變量為50%的軋制變形，然后空冷到室溫.

2)低溫形變熱處理后水冷:加熱到1100℃，保溫4～5min中后水冷至500℃左右，進(jìn)行形變量為50%的軋制變形，最后水冷到室溫.

3)高溫形變熱處理后空冷:加熱到1100℃，保溫4～5min后空冷5～10s，然后直接進(jìn)行形變量為50%的軋制變形，最后空冷到室溫.

4)高溫形變熱處理后水冷:加熱到1100℃，保溫4～5min后空冷5～10s，然后直接進(jìn)行形變量為50%的軋制變形，最后水冷到室溫.

1.2.3 淬火、回火

形變熱處理后，將所得樣品立即加熱到1100℃保溫10min，然后油冷淬火.分別在540℃、560℃、580℃、600℃、620℃保溫2小時(shí)，兩次回火，最后在180℃下保溫1h補(bǔ)充回火一次.

1.3 硬度測試及組織觀察

采用HR150型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測定，所加載荷為150kg;采用OPTON大型萬能自動(dòng)顯微鏡進(jìn)行進(jìn)行觀察及拍照.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 形變熱處理試樣硬度測試結(jié)果

不同處理工藝測得的硬度結(jié)果見表2.

2.2 形變熱處理后的組織與分析

圖1(a)～(d)分別為經(jīng)低溫形變-空冷、低溫形變-水冷、高溫形變-空冷、高溫形變-水冷后試樣的金相照片.

試樣加熱到1 100℃保溫4～5min水冷至500℃左右后，進(jìn)行形變量為50%的軋制處理(低溫形變熱處理)，最后空冷到室溫，其試樣微觀組織見圖1(a).從圖1(a)可以看出，基體組織為馬氏體，網(wǎng)狀碳化物明顯，并存在極少量殘余奧氏體和少量的顆粒狀碳化物，顆粒狀碳化物彌散分布在基體內(nèi)，合金元素的碳化物大量溶解在基體中，奧氏體的合金化程度高，并且有少量強(qiáng)化相均勻析出，采用這種工藝處理后，可顯著提高鋼的熱硬性以及耐回火性，但該組織中二次碳化物呈網(wǎng)狀分布，使材料變脆，硬度值較高(53.27HRC)，見表2.

表2 形變熱處理試樣硬度(HRC)

圖1(b)示出了低溫形變熱處理后水冷試樣的微觀組織.馬氏體基體上均勻分布著大量碳化物并存在少量的殘余奧氏體，馬氏體為隱晶馬氏體，針長小于2級，晶粒度為9～10級;碳化物粒度大，并分布均勻，所以該組織狀態(tài)下材料的強(qiáng)韌性要高，硬度較高，可初步作為優(yōu)先考慮工藝.

試樣加熱到1100℃保溫4～5min空冷后高溫下進(jìn)行形變量為50%的軋制處理(高溫形變熱處理)，空冷到室溫后，組織見圖1(c)，水冷至室溫后的組織見1(d).由圖1(c)可看到大塊不均勻的合金碳化物，而且圖中白色顆粒狀共晶碳化物呈鏈狀分布，比較集中，危害較大，硬度偏低(43.35HRC).故該組織對應(yīng)的形變熱處理工藝不宜采用.圖1(d)顯示的顯微組織為隱針和細(xì)針狀馬氏體+極少量的殘余奧氏體+大量合金碳化物.馬氏體針長小于1級，晶粒度為10～11級，碳化物較多，粒度也比較大，存在脫碳現(xiàn)象和碳化物偏聚現(xiàn)象(見圖2)且碳化物呈鏈狀聚集分布，嚴(yán)重影響組織的力學(xué)性能，硬度偏低(44.06HRC)，見表2.所以也不宜采用此工藝.

低溫形變熱處理工藝能得到碳化物分布均勻的組織，高溫形變熱處理淬火試樣不能滿足模具鋼的基本組織要求，因此H21不可采用高溫形變熱處理工藝.

圖1 不同形變熱處理后試樣微觀組織

圖2 高溫形變熱處理后的不均勻顯微組織

2.2 低溫形變熱處理后的回火組織

圖3為試樣低溫形變熱處理、空冷后在540℃、560℃、580℃、600℃及620℃回火顯微組織.

圖3(a)為540℃回火后的組織，其晶粒較粗大而且不均勻，在晶界上存在很多白色顆粒狀碳化物，這些碳化物有時(shí)呈鏈狀聚集.圖3(b)為560℃回火后的組織，由圖可知其回火組織存在大塊變形晶粒，并且與圖3(a)一樣，在晶界上存在很多白色顆粒狀共晶碳化物.圖3(c)為580℃回火后的組織，其回火組織晶粒尺寸相對均勻，但是碳化物幾乎全部在晶界上析出，這將嚴(yán)重影響組織的力學(xué)性能，室溫硬度偏高(＞53HRC)，并導(dǎo)致該組織沒有足夠高的熱強(qiáng)性［11］.圖3(e)為620℃回火后的組織，由圖可知，其回火組織的情況與前面幾種試樣組織一樣，晶界上也存在很多白色顆粒狀碳化物，這些碳化物有時(shí)呈鏈狀聚集，嚴(yán)重影響組織的力學(xué)性能.這種在晶界上存在顆粒狀白色碳化物現(xiàn)象是很明顯的，它將引起組織不均，硬度強(qiáng)韌性嚴(yán)重下降.

圖3(d)為600℃回火顯微組織，由圖可知，600℃回火組織相對前面四個(gè)試樣，沒有出現(xiàn)碳化物在晶界上聚集偏析的現(xiàn)象，而且共晶碳化物較少且分布均勻，組織相對均勻，并且有少量碳化物在晶粒內(nèi)部均勻彌散析出，硬度值為52.3HRC，其強(qiáng)韌性要優(yōu)于其它情況.

圖3 低溫形變空冷后回火組織

上述分析表明:低溫形變熱處理、空冷后較佳 的回火溫度為600℃.

圖4為試樣低溫形變熱處理、水冷后分別在 540℃、560℃、580℃、600℃及620℃回火顯微組織.

圖4 低溫形變水冷后回火組織

圖4(b)為試樣經(jīng)形變、水冷、560℃回火后顯微組織，由圖可知組織中存在二次碳化物，碳化物多數(shù)在晶界處聚集，晶粒細(xì)小均勻，但組織中出現(xiàn)少數(shù)大塊蠕墨狀碳化物，將對性能有一定得影響.圖4(c)為580℃回火顯微組織，其碳化物多數(shù)在晶界附近析出，晶粒細(xì)小但不均勻，并存在大塊碳化物單獨(dú)析出，影響組織的均勻性，對性能有一定危害.圖4(e)為620℃回火顯微組織，出現(xiàn)少量脫碳現(xiàn)象，并且存在白色顆粒狀共晶碳化物，這些碳化物呈鏈狀分布，比較集中，使組織極不均勻，嚴(yán)重影響組織的性能.

圖4(a)和圖4(d)分別為540℃和600℃回火組織.由圖可知540℃和600℃回火后試樣的顯微組織很相似，它們的晶粒均勻，碳化物分布均勻.且這兩種組織的硬度也非常接近，均可為回火組織理想要求的硬度，600℃回火試樣的硬度為49.45HRC，540℃回火試樣的硬度為49.98HRC.但不同的是600℃回火試樣的碳化物較多，且非常均勻地分布在晶粒和晶界上，而經(jīng)540℃回火后碳化物大多分布在晶界上，因此600℃回火后在性能方面要優(yōu)于540℃回火.

經(jīng)過上述分析比較得出低溫形變熱處理、水冷后600℃回火是較優(yōu)的工藝.

進(jìn)一步比較低溫形變熱處理、空冷后600℃回火(圖3(d))與低溫形變熱處理、水冷后600℃回火(圖4(d)).低溫形變熱處理、空冷后600℃回火組織為α相上分布著少量點(diǎn)粒狀碳化物，整體來說為回火索氏體，組織晶粒尺寸適中，分布較均勻，但硬度為54.73HRC(見表2)，偏高，所以其組織脆性大，在使用過程中易產(chǎn)生脆性開裂.

低溫形變熱處理、水冷后600℃回火組織為細(xì)的回火索氏體，其晶粒非常細(xì)小均勻，而且其上存在均勻分布的二次碳化物，強(qiáng)化效果較好，水冷處理試樣的強(qiáng)韌性要優(yōu)于空冷處理的試樣，硬度值為49.45HRC，接近理想硬度值.

綜上可知低溫形變熱處理、水冷后600℃回火試樣在各方面性能比較均優(yōu)于空冷試樣，其強(qiáng)度與塑韌性配合最佳.

3 結(jié)論

經(jīng)分析與討論，可得出以下結(jié)論:

1)形變溫度對試樣組織于性能影響很大，對于3Cr2W8V，臨界轉(zhuǎn)變溫度以上的形變熱處理即高溫形變熱處理是不適宜的;

2)低溫形變處理后的冷卻方式對試樣組織及性能的影響較大，同樣變形和熱處理?xiàng)l件下，水冷優(yōu)于空冷;

3)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，從試樣顯微組織和綜合力學(xué)性能角度，最佳的處理工藝為860℃×2h退火，1100℃×(4～5min)水冷至500℃左右后進(jìn)行形變量為50%的軋制變形，水冷到室溫;立即加熱到1100℃ ×10min，然后油冷淬火;最后進(jìn)行600℃×2h回火兩次+180℃×1h的補(bǔ)充回火.

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Study on thermomechanical treatment of 3Cr2W8V steel

ZHANG Jia-tao，ZHONG Yi，SUN Shu-hong，GAO Peng，YIN Jian-cheng
(Faculty of Materials and Metallurgical engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)

3Cr2W8V steel is widely used in forging，hot extruding and die-casting of nonferrous.In the paper，the thermomechanical treatment of 3Cr2W8V is studied in order to improve the integrated application performance of 3Cr2W8V and increase the service life of die.Also the effect of deformation temperature，cooling mode and temper temperature on microstructure and properties is discussed.It is concluded that thermomechanical treatment with high temperature cannot be used in 3Cr2W8W，water cooling is better than atmosphere cooling.The optimum treatment progress to gain the best microstructure and properties is proposed.

3Cr2W8V;thermomechanical treatment;deformation temperature;cooling mode

TG166.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-0299(2011)02-0005-05

2009-07-09.

昆明理工大學(xué)校企預(yù)研基金資助項(xiàng)目(20070036).

張家濤(1970-)，男，副教授.

(編輯 張積賓)