回火溫度對含鎢DIEVAR鋼組織和力學(xué)性能的影響

項少松 ，吳日銘 ，胡 濤 ，黃 山

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201600；2.上海市激光先進制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201600）

0 引 言

隨著熱加工產(chǎn)業(yè)的不斷升級，金屬件的應(yīng)用逐漸向輕量化、高強化及精美化的方向發(fā)展[1,2]，金屬件的熱成形包括熱擠壓、熱模鍛、熱沖裁等。高溫合金熱擠壓模需承受的表面溫度達700～800℃[3]，故熱作模具鋼不僅要承受高沖擊、高磨損，還要承受超高次數(shù)的冷熱循環(huán)，導(dǎo)致熱作模具鋼經(jīng)常出現(xiàn)疲勞[4-6]、裂紋[7,8]等。

DIEVAR鋼是新型高性能的Cr-Mo-V系熱作模具鋼，相比應(yīng)用廣泛的H13鋼，增加了Mo含量并減少了C、Si的含量，其韌性、延展性及抗龜裂性能都高于H13鋼[9]。但在服役條件較嚴苛的環(huán)境下其缺陷也明顯，經(jīng)過2 000次熱循環(huán)后，鋼的熱裂紋長度比高Cr馬氏體熱作模具鋼長35%，且由于Si含量降低，在650℃下的屈服強度也更低[10]。新型熱處理工藝[11]及添加微量合金化元素[12,13]是改善熱作模具鋼性能較好的方法，W在模具鋼中的主要作用是增加回火穩(wěn)定性、熱硬性、熱強性，并形成碳化物增加材料的硬度，此外W還可以增加鋼材的淬透性[14]。目前，文獻報道W對DIEVAR鋼有何影響尚不明確，因此，在DIEVAR熱作模具鋼成分的基礎(chǔ)上，在真空熔煉過程中添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%的W，經(jīng)單向拔長、去應(yīng)力退火、真空淬火和不同溫度回火的處理后，對比研究回火溫度對含鎢DIEVAR鋼組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼制備

采用真空感應(yīng)熔煉爐制備20 kg/支的試驗鋼錠，退火后去除表面氧化皮和縮孔部分；采用天然氣加熱爐將其加熱至1 240℃并保溫2 h進行均質(zhì)化處理，冷卻后鍛打拔長至24 mm（厚）×55 mm（寬）的鋼坯，并對試驗鋼進行去應(yīng)力退火。試驗鋼的成分及含量如表1所示。

表1 試驗鋼的成分 質(zhì)量分數(shù)

1.2 熱處理

為探究回火溫度及W對DIEVAR鋼各項性能的影響，從各鋼條上切取尺寸為24 mm×30 mm×55 mm的鋼塊，并對其進行調(diào)質(zhì)處理，真空淬火溫度為1 050℃，回火溫度分別為560℃和600℃，淬火和回火工藝如圖1所示。試驗鋼塊經(jīng)圖1（a）的真空淬火后，依據(jù)圖1（b）的工藝對試驗鋼分別進行回火處理。

圖1 淬火及回火工藝

1.3 性能檢測及組織觀察

性能檢測采用金屬擺錘沖擊試驗機452D-2測量試驗鋼的沖擊功，沖擊樣品規(guī)格采用無缺口設(shè)計，尺寸為7 mm×10 mm×55 mm，每個試樣取3支，所得的沖擊功取平均值；采用洛氏硬度計HR-150A測量試驗鋼的硬度，每個試樣取5點，第1點不計，后4點取平均值。

組織觀察采用倒置三目金相顯微鏡4XCJX拍攝金相圖片，從沖擊樣中切取10 mm長并鑲嵌作為金相試樣，樣品分別采用 500、800、1 000、1 200、1 500目的砂紙粗磨，拋光后利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕。掃描電鏡拍攝試驗采用設(shè)備VEGA3，加速電壓10.0 kV，樣品為金相試樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 JmatPro析出相預(yù)測

JmatPro預(yù)測的試驗鋼回火10 h后析出相的質(zhì)量百分比，如表2所示，在560℃的回火溫度下，二者析出相的主要差別在M2C和M7C3兩種類型碳化物，其中W-DIEVAR鋼的M2C相減少，M7C3相增多；600℃回火后，W-DIEVAR對比DIEVAR鋼出現(xiàn)M2C和M7C3兩種新的析出相，同時MC和M23C6相減少。

表2 JmatPro預(yù)測試驗鋼的析出相質(zhì)量百分比

2.2 硬度和沖擊功

表3所示為試驗鋼的硬度和沖擊功，在560℃的回火溫度下，W-DIEVAR鋼的硬度比DIEVAR鋼低1.2 HRC，但600℃的回火溫度下，W-DIEVAR鋼的硬度提升明顯，較DIEVAR鋼高2.6 HRC。溫度從560℃提升到600℃后DIEVAR鋼的硬度衰減11.5%，而W-DIEVAR鋼下跌4.6%；2個試驗鋼的沖擊功在560℃回火溫度下均表現(xiàn)優(yōu)異，W-DIEVAR鋼的沖擊功比DIEVAR鋼高19 J，600℃回火后均出現(xiàn)較大衰減，DIEVAR下降20.7%，W-DIEVAR下降21.8%，兩者下降率接近，但W-DIEVAR比DIEVAR鋼高11 J。

表3 洛氏硬度和沖擊功

2.3 回火穩(wěn)定性

圖2所示為試驗鋼在600℃下的硬度隨回火時間的變化曲線，由圖2可得，DIEVAR鋼在前10 h內(nèi)的硬度下降較快，10 h內(nèi)下降了12.6%，40 h后平均硬度為37.75 HRC；而W-DIEVAR鋼的回火穩(wěn)定性較好，前10 h下降了5.4%，對比DIEVAR鋼提升了3.5 HRC，40 h回火后的平均硬度為41 HRC，總體相比DIEVAR鋼的硬度最高提升了4 HRC。

圖2 試驗鋼在600℃的回火穩(wěn)定性

2.4 金相顯微組織

圖3（a）、（b）是DIEVAR鋼分別在560、600 ℃回火的金相組織，從組織來看，不同的回火溫度組織的差異較明顯，DIEVAR鋼在560℃和600℃回火后的金相組織均為板條馬氏體基體，兩者的晶界清晰度均較低，560℃回火后的組織均勻性較好，600℃回火后組織中存在晶界偏聚現(xiàn)象；W-DIAVAR鋼金相顯微組織的情況與DIEVAR鋼類似，但600℃回火后的組織比DIEVAR鋼要好，組織偏析程度相對低，晶粒尺寸也較小，如圖 3（c）、（d）所示。

圖3 試驗鋼的金相組織

2.5 SEM顯微組織

試驗鋼的SEM組織如圖4所示，根據(jù)掃描電鏡的結(jié)果可以看出，不同回火溫度對試驗鋼析出相的影響較大，如圖4箭頭指示，560℃的回火溫度，DIEVAR鋼中能觀察到細小的桿狀析出相，而W-DIEVAR鋼中有小顆粒析出相；在經(jīng)過600℃回火后，2種試驗鋼中的顆粒析出相長大，且馬氏體組織均有不同程度的回復(fù)現(xiàn)象，相比之下，W-DIEVAR鋼的析出相粗化、馬氏體組織的回復(fù)程度都更低，且有較多細小的顆粒析出。

圖4 試驗鋼的SEM組織

表4所示為圖4中1、2兩點的EDS分析結(jié)果，根據(jù)能譜結(jié)果可知，DIEVAR鋼中的顆粒小球是富Cr型碳化物，Cr原子比超過15%，Mo占比也超過12%；W-DIEVAR鋼中的顆粒析出相也是富Cr型碳化物，原子占比超過16%，其次為V，占比接近10%，同時，能看到W參與了碳化物的析出，對比DIEVAR鋼，W-DIEVAR鋼中顆粒析出相的Mo含量大量降低，但V增多。

表4 顆粒析出相元素的EDS分析結(jié)果 原子分數(shù)

3 分析討論

試驗鋼在600℃回火后，性能改變明顯，硬度、回火穩(wěn)定性和沖擊功均有較大的提升，從組織來看，低溫回火的組織均勻性佳，成分偏析程度較低，而偏析現(xiàn)象在鋼中應(yīng)盡量消除，以免偏析引起成分不均造成性能下降[16]；W添加至DIEVAR鋼中后，JmatPro析出相計算結(jié)果中表明形成了新的碳化物M2C和M7C3，使得游離態(tài)C減少，對于C的偏聚現(xiàn)象能起到一定緩解作用，因此，W-DIEVAR鋼中的偏析程度低；600℃回火后W-DIEVAR鋼的晶粒尺寸及馬氏體形態(tài)都相對小，這與W引起的奧氏體相區(qū)縮小及超細析出作用有關(guān)[16,17]，由于相區(qū)縮小，在鋼的奧氏體狀態(tài)下限制了珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變且有更高的合金化元素含量，在冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體更細小，W能細化晶粒并產(chǎn)生固溶強化效應(yīng)進而提高鋼的力學(xué)性能[16]，由此提升了試驗鋼的硬度和沖擊性能。

析出相類型與鋼材性能有著緊密的聯(lián)系，一般從形貌看，桿狀析出相主要是M2C或MC[18]，而小球狀碳化物主要是M23C6或M7C3[19]。試驗中DIEVAR鋼出現(xiàn)的析出相，根據(jù)EDS能譜結(jié)果證明，調(diào)質(zhì)處理后DIEVAR鋼的析出相主要為富Cr型碳化物，JmatPro的計算結(jié)果表明DIEVAR鋼中的碳化物為(Fe,Cr)23C6、Mo(V)C；W-DIEVAR鋼中有M23C6和M7C3兩種富Cr型碳化物，但總量較少，且尺寸較小，表明W能抑制富Cr型碳化物的析出和長大，EDS能譜結(jié)果中，W的加入抑制了碳化物中Mo元素富集，但促進了V富集，Mo原子半徑要大于V原子，因此，W能有效控制析出相尺寸，并且W是M6C、M2C、MC型碳化物形成的主要元素，即Fe3W3C、W2C或WC。MC型碳化物是晶核在鐵素體基體上直接形成，其形成方式為離位析出，這種方式形成的碳化物細小彌散，對鋼的強度、硬度提升明顯[16,20]，M2C型碳化物的熔點、硬度較高且很穩(wěn)定[16]。根據(jù)計算，W-DIEVAR鋼中還出現(xiàn)M2C型碳化物，因此其在600℃回火后的硬度有提升。根據(jù)圖3所示的結(jié)果，W-DIEVAR鋼的納米級析出相較多，產(chǎn)生了對位錯的釘扎作用，而DIEVAR鋼碳化物析出較多，且經(jīng)600℃回火測試后粗大嚴重，說明W的添加會促進DIEVAR鋼中析出細小碳化物且強化馬氏體。

4 結(jié)束語

經(jīng)研究表明，質(zhì)量分數(shù)為1.0%含量的W對DIEVAR鋼組織的改善和性能的提升均有積極作用，主要體現(xiàn)在以下2個方面。

（1）性能和組織方面。560℃回火后鋼的性能和微觀組織形貌變化較大，添加W后試驗鋼的硬度下降1.2 HRC但沖擊功上升19 J，600℃回火后硬度提升2.6 HRC，沖擊功提升11 J，并且經(jīng)長時間回火后，W-DIEVAR表現(xiàn)了優(yōu)越的回火穩(wěn)定性。

（2）微觀析出方面。添加W后，馬氏體組織和晶粒大小都有不同程度的細化，晶界偏聚得到緩解，抑制了DIEVAR鋼碳化物的析出和長大。鋼中出現(xiàn)M2C和M7C3兩種新的碳化物類型，且尺寸在納米級（20-200 nm），有效提升了DIEVAR鋼的性能。