乘用車(chē)用新型冷作模具鋼Cr8真空氣淬后的組織與性能

元 莎， 周樂(lè)育， 蔣 鵬， 張建波， 陳 浩

(北京機(jī)電研究所有限公司， 北京 100083)

隨著人們對(duì)汽車(chē)需求日益增多，汽車(chē)行業(yè)快速發(fā)展，對(duì)汽車(chē)模具的需求也越來(lái)越多[1-3]。傳統(tǒng)的Cr12冷作模具鋼硬度較高，韌性較差，在使用過(guò)程中容易開(kāi)裂，補(bǔ)焊之后，更容易造成二次開(kāi)裂，亟需開(kāi)發(fā)新型Cr8冷作模具鋼[4]。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的Cr8冷作模具鋼材料韌性不足，在使用過(guò)程中易開(kāi)裂，模具壽命不高，很多企業(yè)從國(guó)外進(jìn)口鋼材，材料費(fèi)用是國(guó)內(nèi)材料的3倍左右，增加了企業(yè)的成本，使國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)外汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力度下降[5]。上海某公司根據(jù)國(guó)家提出的“十三五”規(guī)劃，優(yōu)化材料成分，研究材料生產(chǎn)工藝流程，開(kāi)發(fā)了新型Cr8型冷作模具鋼，并替代國(guó)外進(jìn)口材料，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

本文選取國(guó)外KD11max冷作模具鋼與本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型HNC53冷作模具鋼進(jìn)行真空淬火之后的組織和性能對(duì)比分析，研究材料從原始狀態(tài)到熱處理過(guò)程碳化物的演變規(guī)律，及回火溫度對(duì)材料硬度和韌性的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。從表1中可以看出，兩種材料均為鍛材Cr8型冷作模具鋼，HNC53鋼中Mo含量比KD11max鋼的高1.09%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，V含量高0.7%；KD11max鋼含Si、Mn、S較高，與HNC53鋼相比，Si含量高0.55%，Mn含量高0.26%，S含量高0.07%。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)材料在真空爐中于1030 ℃下真空淬火處理2 h，在N2保護(hù)中自然冷卻。然后進(jìn)行高溫520 ℃和低溫200 ℃回火處理。從原材料切取3塊10 mm×10 mm ×10 mm的試樣，經(jīng)研磨、拋光、用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察大顆粒狀碳化物，用掃描電鏡觀(guān)察組織中小顆粒狀碳化物。材料按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》分別取3個(gè)55 mm×10 mm×10 mm沖擊試樣，進(jìn)行U型缺口沖擊性能測(cè)定。用TH300洛氏硬度計(jì)測(cè)試試驗(yàn)鋼的硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原材料顯微組織與SEM分析

原材料的顯微組織如圖1所示，HNC53鋼和KD11max鋼的組織均為球狀珠光體和大塊狀共晶碳化物，HNC53鋼的大塊狀共晶碳化物體積分?jǐn)?shù)與KD11max鋼的相近，且顆粒相對(duì)較??；小顆粒狀碳化物類(lèi)似球形且均勻分布在基體中，尺寸為0.5～1 μm。KD11max鋼的大塊狀共晶碳化顆粒較大，基體中細(xì)小碳化物分布不均勻，且顆粒尺寸差異明顯。對(duì)兩種Cr8鋼的原材料進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，硬度值在20 HRC左右。HNC53鋼與KD11max鋼的原材料硬度基本一致，能達(dá)到材料的原始狀態(tài)硬度要求。

圖1 試驗(yàn)鋼的原始顯微組織Fig.1 Original microstructure of the tested steels(a，c) HNC53； (b，d) KD11max

2.2 回火后顯微組織

HNC53鋼與KD11max鋼分別在高溫520 ℃和低溫200 ℃回火之后的顯微組織如圖2所示。由圖2可知，回火處理后，HNC53鋼和KD11max鋼的組織為馬氏體、大顆粒狀共晶碳化物及納米級(jí)二次碳化物；與原材料相比，兩種Cr8鋼回火之后大塊狀共晶碳化物都減少；基體中碳化物組織為M7C3型，主要合金元素是Cr，含少量的Mo、V等。M7C3型的碳化物能提高Cr8鋼的耐磨性，延長(zhǎng)模具使用壽命。HNC53鋼和KD11max鋼分別在高溫520 ℃和低溫200 ℃回火后，大塊狀共晶碳化物顆粒大小及體積占比無(wú)明顯差異。在回火過(guò)程中，碳化物通過(guò)重組或者形核長(zhǎng)大生成，這兩種方式都是經(jīng)過(guò)擴(kuò)散完成，溫度較低時(shí)，擴(kuò)散速度較慢，碳化物析出較少；隨著回火溫度逐漸升高，原子擴(kuò)散速度加快，碳化物析出較多且顆粒較大[6]。因此，低溫200 ℃回火時(shí)，碳化物析出較少且顆粒??；高溫520 ℃回火時(shí)，碳化物析出較多且有納米級(jí)二次碳化物析出，可增加材料硬度，促進(jìn)材料在高溫520 ℃回火后出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象[7]。

圖2 HNC53鋼(a, c)和KD11max鋼(b, d)經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the HNC53 steel(a, c) and the KD11max steel(b, d) tempered at different temperatures (a,b) 200 ℃; (c,d) 520 ℃

2.3 掃描電鏡分析

試驗(yàn)鋼分別經(jīng)200 ℃和520 ℃回火后的SEM圖片如圖3所示。由圖3可知，HNC53鋼和KD11max鋼回火后的組織為馬氏體，SEM圖片中黑色是大塊狀共晶碳化物，材料在高溫520 ℃回火后，在馬氏體基體上析出均勻彌散的納米級(jí)小顆粒碳化物(如圖3中小白點(diǎn)所示)；從圖3(a，b)可知，200 ℃回火后，納米級(jí)顆粒碳化物析出較少且分布不均勻。

圖3 HNC53鋼(a, c)和KD11max鋼(b, d)經(jīng)不同溫度回火后的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the HNC53 steel(a, c) and the KD11max steel(b, d) tempered at different temperatures (a,b) 200 ℃; (c,d) 520 ℃

由3(c)可知，高溫520 ℃回火后HNC53鋼中二次析出的小顆粒納米級(jí)碳化物較多；HNC53鋼Mo含量較高，高溫回火后材料中析出的碳化物顆粒較細(xì)，可促進(jìn)材料二次硬化。

2.4 力學(xué)性能分析

圖4為試驗(yàn)鋼的硬度及沖擊吸收能量對(duì)比，可知HNC53鋼和KD11max鋼在高溫520 ℃回火后都出現(xiàn)了二次硬化現(xiàn)象。由圖4(b)可知，KD11max和HNC53鋼原始狀態(tài)沖擊性能較好，在回火后沖擊吸收能量下降，在520 ℃回火出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象時(shí)，材料沖擊吸收能量更低。由表1化學(xué)成分可知，HNC53鋼Mo和V含量高，可減少液析碳化物的偏析程度，使碳化物形狀盡量規(guī)則、圓整；Mo含量的增加對(duì)材料的二次硬化起到促進(jìn)作用，由于Mo能降低合金固溶度，增加材料二次硬化碳化物數(shù)量，促進(jìn)析出較多納米級(jí)二次碳化物顆粒且均勻彌散在基體表面[8-10]；另外，Mo能提高材料Ac1和Ac3點(diǎn)溫度，相同條件下淬火，鋼中Mo含量較多時(shí)，碳化物溶解較少，殘留奧氏體在高溫回火時(shí)，轉(zhuǎn)變溫度越高，回火過(guò)程中析出合金化合物越多，促進(jìn)了奧氏體的轉(zhuǎn)變，使奧氏體含量減少，促進(jìn)了材料的二次硬化[11]。從圖4(b)可知，與520 ℃回火相比，200 ℃回火后試驗(yàn)鋼的沖擊吸收能量較好。由于試驗(yàn)鋼在200 ℃回火時(shí)，基體馬氏體韌性下降，試驗(yàn)鋼中殘留奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變，隨著溫度升高其含量降低，材料韌性下降[12-13]。HNC53鋼和KD11max鋼在520 ℃回火時(shí)，大量碳化物M23C6和M7C3在晶界析出，并發(fā)生粗化，殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變?cè)黾?，材料韌性進(jìn)一步下降，因此，材料在二次硬化時(shí)沖擊吸收能量更低[14]。

圖4 試驗(yàn)鋼的硬度(a)和沖擊吸收能量(b)Fig.4 Hardness(a) and impact absorbed energy(b) of the tested steels

3 結(jié)論

1) HNC53鋼和KD11max鋼原材料組織為球狀珠光體和大塊狀共晶碳化物；材料經(jīng)過(guò)真空淬火和高低溫回火后，組織為馬氏體、大塊共晶碳化物和小顆粒二次碳化物。

2) 兩種材料經(jīng)過(guò)真空淬火和回火后，硬度都在60 HRC以上；520 ℃高溫回火后材料出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，硬度較高。

3) 在520 ℃高溫回火后，HNC53鋼和KD11max鋼的沖擊性能都較好，國(guó)產(chǎn)HNC53鋼的性能達(dá)到國(guó)外進(jìn)口材料水平，可以替代國(guó)外材料，大大降低國(guó)內(nèi)Cr8鋼冷作模具成本。