熱處理工藝對(duì)Cr12模具鋼組織與性能的影響

廖德勇，賈宏斌

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

近年來(lái)，由于原材料價(jià)格的上漲，高合金比的模具鋼很難讓用戶接受，因此市場(chǎng)對(duì)Cr12系列模具鋼的需求呈現(xiàn)迅速的上漲趨勢(shì)，僅2019年，國(guó)產(chǎn)Cr12系列模具鋼的用量就增長(zhǎng)了40%，由此可見提高現(xiàn)有鋼種的性能就顯得比以往任何時(shí)候都重要［1］。為了使Cr12系列模具鋼應(yīng)用更加廣泛，前人對(duì)Cr12系列模具鋼進(jìn)行了大量的強(qiáng)韌化研究，但目前仍缺乏系統(tǒng)的理論體系［2-3］。強(qiáng)韌化調(diào)質(zhì)工藝不完全，應(yīng)用受到很大限制，尚不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。因此，還需對(duì)Cr12系列模具鋼進(jìn)行更深一步的研究，提高Cr12系列模具鋼的各項(xiàng)性能，使其發(fā)揮更大的作用。因此，本文重點(diǎn)對(duì)退火工藝、回火工藝對(duì)Cr12模具鋼組織與性能的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取Cr12鋼為試驗(yàn)材料，采用EF+LF+VD工藝冶煉，Cr12鋼的化學(xué)成分如表1所示。澆鑄成Φ50 mm圓柱試驗(yàn)用鋼，在直徑的1/4處切取縱向金相試樣（15 mm×20 mm），取樣部位如圖1所示，磨制后采用4%HNO3+酒精溶液進(jìn)行腐蝕。

表1 Cr12鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Cr12 Steel（Mass Fraction） %

圖1 取樣部位Fig.1 Sampling Location

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 退火工藝試驗(yàn)

將Cr12鋼切割成10 mm×10 mm×20 mm的試樣，以兩種退火工藝對(duì)樣品進(jìn)行熱處理，Cr12鋼退火工藝曲線如圖2所示。圖2（a）為常規(guī)退火工藝，圖2（b）為均勻化退火工藝，將樣品在不同溫度下保溫10 min，然后迅速將其油淬，降溫至400℃，再快速轉(zhuǎn)入小型回火爐中，回火溫度為730℃，在不同的保溫時(shí)間下保溫，再進(jìn)行自然冷卻。對(duì)比兩種退火工藝對(duì)硬度和組織性能的影響［4-5］。

圖2 兩種Cr12鋼退火工藝曲線Fig.2 Annealing Process Curves of Two Kinds of Cr12 Steels

1.2.2 回火工藝試驗(yàn)

選擇Cr12鋼為研究對(duì)象，在980℃、30 min油淬，然后分別在 150、200、250、300、350、400、450、500℃下回火120 min，測(cè)試鋼的硬度，并得到回火溫度對(duì)鋼的硬度影響曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 退火溫度對(duì)組織和性能的影響

采用常規(guī)退火工藝對(duì)Cr12鋼進(jìn)行熱處理后，合金的布氏硬度為227 HB。在均勻化熱處理工藝中，由于退火溫度采用1 020℃時(shí)，合金的布氏硬度都要高于常規(guī)退火工藝處理后的硬度，不利于再加工，所以下文不再對(duì)退火溫度為1 020℃工藝進(jìn)行討論。采用均勻化退火工藝對(duì)Cr12鋼進(jìn)行不同工藝熱處理實(shí)驗(yàn)后，合金的布氏硬度結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著退火溫度的增加，合金布氏硬度呈先降后升變化，當(dāng)退火溫度為940℃時(shí)，硬度最低。其中，將試樣加熱到940℃，等溫段控制在730℃、保溫90 min后，合金的布氏硬度值可以降到200 HB以下，比常規(guī)退火工藝的硬度易于切割。

圖3 退火溫度對(duì)Cr12鋼硬度的影響Fig.3 Effect of Annealing Temperature on Hardness of Cr12 Steel

Cr12鋼采用常規(guī)退火工藝與在不同溫度均勻化熱處理工藝下降溫至730℃保溫60 min后得到的組織狀態(tài)如圖4所示。由圖可以看出，隨著退火溫度的升高，碳化物的溶解量增加，并且在一開始的等溫段時(shí)，顆粒碳化物隨著溫度的升高，析出變少。與此同時(shí)，碳化物不均度指標(biāo)變好。當(dāng)退火溫度＞980℃時(shí)，此時(shí)大多數(shù)碳化物已經(jīng)溶解，析出的粒狀二次碳化物數(shù)量快速減少。奧氏體化溫度越高，碳化物越少溶解，因?yàn)樘蓟锏娜芙鈺?huì)加劇球化作用。Cr12模具鋼采用快速預(yù)冷帶有等溫段的退火工藝，利用理論的結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值，也就是增加溫度的差值從而調(diào)整球化速率。所以，相應(yīng)的碳化物顆粒球化率高，組織細(xì)小均勻，同時(shí)具有良好的硬度。所以，常規(guī)退火工藝可以被均勻化退火工藝取代。

圖4 不同退火工藝下的組織狀態(tài)Fig.4 Microstructures of Cr12 Steel by Different Annealing Processes

2.2 退火等溫段保溫時(shí)間對(duì)組織和性能的影響

采用730℃保溫處理，不同的等溫段保溫時(shí)間對(duì)Cr12鋼硬度的影響見圖5。

圖5 不同等溫段保溫時(shí)間對(duì)Cr12鋼硬度的影響Fig.5 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Hardness of Cr12 Steel

由圖5可知，采用730℃保溫處理，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度逐漸降低。如果等溫段保溫時(shí)間低于60 min，硬度急劇降低；在等溫段保溫時(shí)間>60 min，隨著等溫段保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度的遞減趨勢(shì)不明顯。分別選取最低與最高的退火溫度，經(jīng)過(guò)不同溫度退火并采用730℃保溫處理，不同等溫段保溫時(shí)間對(duì)Cr12鋼顯微組織的作用規(guī)律如圖6所示。由圖6（a）、（c）可知，采用730 ℃保溫處理30 min后析出的二次碳化物大多數(shù)呈現(xiàn)細(xì)點(diǎn)狀分布，此時(shí)是逐點(diǎn)連接，顆粒尺寸較小，但硬度很高。隨著等溫段時(shí)間的延長(zhǎng)，這些點(diǎn)狀碳化物彼此分離。實(shí)際上，碳化物二次析出的實(shí)質(zhì)過(guò)程是由點(diǎn)狀到顆粒狀演變的過(guò)程。隨著等溫段保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，二次析出碳化物的形態(tài)產(chǎn)生了變化，尺寸變大并不斷粗化，同時(shí)二次析出碳化物的析出速度加快，析出量提升。

圖6 不同等溫段保溫時(shí)間對(duì)Cr12鋼顯微組織的影響Fig.6 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Microstructures of Cr12 Steel

保證奧氏體中殘留大部分的未溶碳化物質(zhì)點(diǎn)是模具鋼球化退火工藝最主要的目標(biāo)，在A1點(diǎn)以下的等溫段保溫處理過(guò)程中，這些未溶碳化物質(zhì)點(diǎn)周圍的碳原子將以碳化物質(zhì)點(diǎn)為核心，通過(guò)擴(kuò)散不斷發(fā)生析出、聚集與球化。并且，得到的低碳區(qū)域可以促進(jìn)鐵素體形成和生長(zhǎng)。常規(guī)退火在高溫轉(zhuǎn)變階段，原子擴(kuò)散能力強(qiáng)，但理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值（過(guò)冷度）較小，由于新舊階段之間的自由能差異較小，因此相變的驅(qū)動(dòng)力較小，從而導(dǎo)致相變速率慢［6］。在該階段中，快速預(yù)冷有利于提高過(guò)冷度，并提升高溫過(guò)渡階段的相變驅(qū)動(dòng)力。Cr12鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線［7］如圖7所示。

圖7 Cr12鋼（2.02%碳）奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線Fig.7 Austenite Isothermal Transformation Curves of Cr12 Steel（2.02%Carbon）

由圖7可知，Cr12鋼快速冷卻至400℃左右會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的過(guò)冷奧氏體。因?yàn)檫^(guò)冷度大，所以過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性差，蓄積大量的能量，此時(shí)快速加熱到730℃保溫，使得蓄積的能量突然釋放。由于高的轉(zhuǎn)變溫度和快速的原子擴(kuò)散，完成了面心立方晶格向體心立方晶格的轉(zhuǎn)變；奧氏體組織向鐵素體組織的轉(zhuǎn)變；同時(shí)，還有未溶于基體的碳化物球化和聚集的過(guò)程轉(zhuǎn)變［8］。所以，通過(guò)快速預(yù)冷工藝可以提高過(guò)冷度，進(jìn)而加速Cr12鋼組織的球化反應(yīng)，最終在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上可以將熱處理工藝時(shí)長(zhǎng)減少1/8至1/10。實(shí)驗(yàn)表明，在860～940℃的退火溫度下，將等溫段溫度控制在730℃，可以獲得分布均勻度較高，形態(tài)較小的碳化物和合理的球化組織，且該組織硬度適宜。

2.3 回火溫度對(duì)硬度的影響

圖8 顯示了不同回火溫度對(duì)Cr12鋼的硬度影響，該曲線與一般的回火定律基本相同。在200℃附近回火熱處理時(shí)，可以獲得高硬度，此時(shí)，不能改善抗壓強(qiáng)度，所以適宜在硬度需求高且承受壓力不高的情況使用；在500℃附近回火熱處理時(shí)，可以獲得較低硬度，由于此時(shí)不能改善其韌性，所以適宜在較低沖擊環(huán)境進(jìn)行使用；在400℃附近進(jìn)行回火熱處理時(shí)，材料檢驗(yàn)的性能較為合適，可以保證硬度、抗壓強(qiáng)度以及符合常規(guī)使用的韌性。綜上所述，結(jié)合Cr12系列模具鋼的特性，需要根據(jù)模具鋼的用途制定熱處理工藝，以滿足更多客戶需求。

圖8 回火溫度對(duì)硬度的影響Fig.8 Effect of Tempering Temperature on Hardness of Cr12 Steel

3 結(jié)論

（1）常規(guī)退火工藝合金的布氏硬度為227 HB，采用均勻化退火工藝，將試樣加熱到940℃，將等溫段控制在730℃后，合金的布氏硬度可降到200 HB以下，更易于切割。

（2）通過(guò)回火沉淀的碳化物是非常細(xì)小而且分散相對(duì)均勻的顆粒，較低溫度的回火處理可以阻礙貝氏體的轉(zhuǎn)變，保證其穩(wěn)定性。

（3）結(jié)合Cr12系列模具鋼的特性，需要針對(duì)模具鋼的使用用途來(lái)制定熱處理工藝，在400℃附近進(jìn)行回火熱處理時(shí)，材料的性能較為合適，不僅可以保證硬度和抗壓強(qiáng)度，還有符合常規(guī)使用的韌性。