5Cr8NoVSi鋼是近年來我國應(yīng)用較多的新鋼種，主要用于耐沖擊性工模具和薄刃刀具上。但是，目前對5Cr8MoVSi鋼的熱處理工藝研究較少，所生產(chǎn)的工模具常發(fā)生硬度不高和斷裂失效現(xiàn)象。因此，本文較詳細(xì)地研究了5Cr8MoVSi鋼熱處理工藝對硬度和組織結(jié)構(gòu)的影響。
1、實驗材料及實驗方法
實驗材料成分如表1所示。試樣退火、淬火、回火均在坩堝電阻爐中進(jìn)行，淬火采用油介質(zhì)冷卻。用D/maxⅢA X射線衍射儀分析相結(jié)構(gòu)和殘余奧氏體量，定量金相法測量奧氏體晶粒數(shù)、碳化物體積分?jǐn)?shù)及尺寸、馬氏體尺寸，JXA-733電子探針分析顯微組織和成分。
表1 工模具鋼5Cr8MoVSi化學(xué)成分/%
| C
| Mn
| Si
| Cr
| Mo
| V
| S
| P
|
| 0.55
| 0.45
| 0.72
| 8.13
| 1.38
| 0.45
| ≤0.02
| ≤0.03 |
2、實驗結(jié)果及分析2.1 退火
試樣經(jīng)840℃退火硬度為HB218，退火顯微組織為球狀珠光體。碳化物的平均尺寸為0.94µm，體積分?jǐn)?shù)約為0.32。碳化物相以M23C6，為主，其次有M7C3和MC。
2.2淬火
淬火實驗溫度為880℃、900℃、930℃、950℃、1000℃、1050℃。隨淬火溫度升高，淬火硬度升高。1000℃淬火時，硬度為HRC60；1050℃淬火時，硬度為HRC60.3。 淬火組織為馬氏體、剩余碳化物和殘余奧氏體。在950℃淬火時，馬氏體由針狀馬氏體和板條狀馬氏體組成，針對馬氏體的比例較大，剩余碳化物呈小顆粒狀或點狀分布；1000℃淬火時馬氏體仍然由針狀馬氏體和板條狀馬氏體組成，剩余碳化物呈點狀分布，殘余奧氏體夾在馬氏體針或板條之間；1050℃淬火時，馬氏體以板條狀馬氏體為主，只有少量的針狀馬氏體(<10%)，殘余奧氏體量增多，剩余碳化物極少，尺寸也更小。金相分析表明：隨溫度程式高，奧氏體晶粒度變大，馬氏體針變長，剩余碳化量減少，尺寸變小，淬火試樣殘余奧氏體量隨淬火溫度升高而升高，1000℃淬火時，殘余奧氏體量約10%。奧氏體晶粒尺寸隨淬火溫度升高而升高，淬火馬氏體板條或針狀尺寸也與晶粒度尺寸對應(yīng)。
表2 工模具鋼5Cr8MoVSi淬火溫度對奧氏體晶粒度、殘余奧氏體、馬氏體和剩余碳化物的影響
| 淬火溫度/℃
| 奧氏體晶粒度/µm
| 殘余奧氏體量/%
| 淬火馬氏體
| 剩余碳化物形態(tài)尺寸/µm
| 體積分?jǐn)?shù)
| 尺寸/µm
|
| 900
| 6.3
| -
| 針狀+少數(shù)板條狀
| 6
| 0.12
| 1.5
|
| 930
| 8.4
| -
| 6
| 0.10
| 1.0
|
| 950
| 9.3
| 5.38
| -
| 6
| 0.09
| 0.9
|
| 1000
| 11.3
| 10.74
| 板條狀+針狀
| 11
| 0.08
| 0.6
|
| 1050
| 24.4
| 12.28
| 板條狀+少量針狀
| 24
| 0.04
| 0.3 |
相分析表明，淬火試樣以a'馬氏體為主要相，其次是殘余奧氏體g’，剩余碳化物為M7C3、MC，并有微量的M23C6。與退火碳化物相分析對照后可知，在1000℃淬火時，M23C6大部分溶解，而原來少量的M7C3和MC型碳化物因難于溶解，成為主要剩余碳化物。
2.3回火
回火溫度小于380℃時，隨回火溫度升高，回火硬度降低。在此區(qū)間，主要是馬氏體分解過程，馬氏體含碳量降低，馬氏體晶體結(jié)構(gòu)的正方度(c/a)下降。在480-500℃回火，有明顯的二次硬化現(xiàn)象。485℃回火最高硬度為HRC58，比淬火硬度低2HRC左右。二次硬化主要是MC(VC)沉淀硬化的效果。 隨回火溫度升高，殘余奧氏體量減少。只通過一次回火殘余奧氏體分解較少，通過三次回火殘余奧氏體量可降低到6%左右。
3、討論
工模具鋼5Cr8MoVSi碳含量為0.55%，淬火馬氏體形態(tài)為板條狀和針狀。在較低的溫度下淬火時，剩余碳化物量較多，在靠近碳化物的奧氏體區(qū)中，因碳化物溶解過程中碳的擴散呈梯度分布，因此，有局部高碳區(qū)。局部高碳區(qū)在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成針狀馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)是孿晶。在較高的溫度下淬火，剩余碳化物主要是少量的VC和M7C3，溶解速度很慢，因此大部分奧氏體區(qū)域碳含量均勻化，盡管此時奧氏體平均碳含量高，但是相對于高碳奧氏體來說，其含量還是低的。所以在較高溫度淬火時，板條馬氏體比例增大。板條馬氏體比針狀馬氏體韌性高，因此，該鋼可以在較高的溫度下淬火。但板條在300-400℃回火時，因析出的碳化物沿板條分布，會顯示出回火脆性。所以，在較高的溫度下淬火，獲得以板條狀馬氏體為主的顯微組織時，應(yīng)避開回火脆性區(qū)，或者以較高溫度回火(450-520℃)，或者在較低溫度回火(150-250℃)。如果需較低的回火硬度，則應(yīng)提高回火溫度(520℃以上)方能避開回火脆性區(qū)。不過此時需要嚴(yán)格控制回火制度，否則，回火硬度會隨回火溫度變動發(fā)生很大的變化。另外，對殘余奧氏體量要求降低至最小的薄刃工模具，淬火后應(yīng)進(jìn)行二次回火或三次回火。
4、結(jié)論
- 工模具鋼5Cr8MoVSi840℃退火，硬度為HB218，碳化物顆粒平均尺寸為0.94µm，碳化物體積分?jǐn)?shù)為0.32，碳化物類型以M23C6為主，并有少量的MC和M7C3。
- 工模具鋼5Cr8MoVSi合適的淬火溫度為980-1050℃，最高硬度為HRC60-61。隨淬火溫度升高，淬火馬氏體由板條狀和針狀馬氏體組織過渡到以板條狀馬氏體為主。剩余碳化物以MC和M7C3為，M23C6型碳化物在淬火時大部分溶解。
- 工模具鋼5Cr8MoVSi僅通過一次回火，殘余奧氏體量減少不大，因此，應(yīng)進(jìn)行二次或三次回火。在480-510℃回火，有二次硬化現(xiàn)象，回火硬度可升到HRC58-60。
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