热处理对5Cr8MoVSi组织及硬度的影响

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5Cr8NoVSi钢是近年来我国应用较多的新钢种，主要用于耐冲击性工模具和薄刃刀具上。但是，目前对5Cr8MoVSi钢的热处理工艺研究较少，所生产的工模具常发生硬度不高和断裂失效现象。因此，本文较详细地研究了5Cr8MoVSi钢热处理工艺对硬度和组织结构的影响。

1、实验材料及实验方法

实验材料成分如表1所示。试样退火、淬火、回火均在坩埚电阻炉中进行，淬火采用油介质冷却。用D/maxⅢA X射线衍射仪分析相结构和残余奥氏体量，定量金相法测量奥氏体晶粒数、碳化物体积分数及尺寸、马氏体尺寸，JXA-733电子探针分析显微组织和成分。 2 m0 L& h, Q' V! K% v7 r* O- Z. v) e0 Q/ }8 t. J# s/ ~, L& @# J4 g. @4 r3 @0 I3 f* Q1 K+ Z

表1 工模具钢5Cr8MoVSi化学成分/%

C	Mn 5 t1 s* M5 d5 W1 t3 y; D& O	Si 0 P( e1 {# T& H3 @/ ^, O	Cr	Mo	V - E" O0 T2 ~. V2 ?	S	P
0.55 . N- w) s( C4 H6 |	0.45	0.72 ! r7 _; ]% P1 S6 r	8.13 # C& E0 b* _, }0 p% G$ V2 z9 p% J	1.38 6 h; e, V% c6 A; A# E	0.45 3 f/ h' B5 u# \" y4 M	≤0.02	≤0.03

: I( K, P& ~# D# _, w

2、实验结果及分析

2.1 退火

试样经840℃退火硬度为HB218，退火显微组织为球状珠光体。碳化物的平均尺寸为0.94µm，体积分数约为0.32。碳化物相以M23C6，为主，其次有M7C3和MC。
2.2淬火 ' A+ |& O' ` b5 q

淬火实验温度为880℃、900℃、930℃、950℃、1000℃、1050℃。随淬火温度升高，淬火硬度升高。1000℃淬火时，硬度为HRC60；1050℃淬火时，硬度为HRC60.3。 淬火组织为马氏体、剩余碳化物和残余奥氏体。在950℃淬火时，马氏体由针状马氏体和板条状马氏体组成，针对马氏体的比例较大，剩余碳化物呈小颗粒状或点状分布；1000℃淬火时马氏体仍然由针状马氏体和板条状马氏体组成，剩余碳化物呈点状分布，残余奥氏体夹在马氏体针或板条之间；1050℃淬火时，马氏体以板条状马氏体为主，只有少量的针状马氏体(<10%)，残余奥氏体量增多，剩余碳化物极少，尺寸也更小。金相分析表明：随温度程式高，奥氏体晶粒度变大，马氏体针变长，剩余碳化量减少，尺寸变小，淬火试样残余奥氏体量随淬火温度升高而升高，1000℃淬火时，残余奥氏体量约10%。奥氏体晶粒尺寸随淬火温度升高而升高，淬火马氏体板条或针状尺寸也与晶粒度尺寸对应。 9 H! u2 c) o* {" [: Z% T2 R& I: ^ K6 T( o T% I6 [. i2 A% R3 v' O/ ?$ _ I+ E4 P9 f) }5 y/ l3 V% `8 z/ f- ?, N5 Z* `9 c& \" f: Z: c: S0 s5 d# Z5 m: z7 ?5 r( G' h+ @" ]$ g$ O4 r

表2 工模具钢5Cr8MoVSi淬火温度对奥氏体晶粒度、残余奥氏体、马氏体和剩余碳化物的影响

淬火温度/℃	奥氏体晶粒度/µm	残余奥氏体量/%	淬火马氏体	剩余碳化物形态尺寸/µm	体积分数	尺寸/µm
900	6.3	- * ?- Q/ W, x$ A& Q	针状+少数板条状 : a5 X8 X. |+ ^- \ y	6	0.12 ) @7 T q, b8 r# G9 P9 U9 R3 p	1.5 $ h% \4 D: u& T9 D* m( Y6 H
930	8.4	- , ~1 I+ b6 _1 V, I/ [# C		6	0.10 , j' j4 o* N7 n9 D) I% t	1.0
950 ' X- m2 u# S" V$ C, U	9.3 ' @( ^# I+ N N/ c5 ^& u x; G	5.38	- " M9 B6 l4 {) ^! L, R# G$ K	6 # H0 `; e% S( x1 G [% `	0.09 6 ^8 t' ?4 f/ p: x	0.9 $ ~, Q) B; k7 W/ k W$ j' u
1000 , Z2 ]5 }" r, ^4 [, w	11.3	10.74 + a6 A* B$ t5 B* l4 x	板条状+针状	11	0.08	0.6
1050	24.4	12.28	板条状+少量针状	24 + x* M" {8 \. B. I8 k: i3 E	0.04 3 p" |' j" g, M, o+ c9 s7 Z	0.3

相分析表明，淬火试样以a'马氏体为主要相，其次是残余奥氏体g’，剩余碳化物为M₇C₃、MC，并有微量的M₂₃C₆。与退火碳化物相分析对照后可知，在1000℃淬火时，M₂₃C₆大部分溶解，而原来少量的M₇C₃和MC型碳化物因难于溶解，成为主要剩余碳化物。
2.3回火 6 j5 a+ O4 V/ e+ B% l

回火温度小于380℃时，随回火温度升高，回火硬度降低。在此区间，主要是马氏体分解过程，马氏体含碳量降低，马氏体晶体结构的正方度(c/a)下降。在480-500℃回火，有明显的二次硬化现象。485℃回火最高硬度为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。 随回火温度升高，残余奥氏体量减少。只通过一次回火残余奥氏体分解较少，通过三次回火残余奥氏体量可降低到6%左右。 4 L k% G x( t; T$ ]; X2 D& f! n

3、讨论

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工模具钢5Cr8MoVSi碳含量为0.55%，淬火马氏体形态为板条状和针状。在较低的温度下淬火时，剩余碳化物量较多，在靠近碳化物的奥氏体区中，因碳化物溶解过程中碳的扩散呈梯度分布，因此，有局部高碳区。局部高碳区在冷却过程中转变成针状马氏体，其亚结构是孪晶。在较高的温度下淬火，剩余碳化物主要是少量的VC和M₇C₃，溶解速度很慢，因此大部分奥氏体区域碳含量均匀化，尽管此时奥氏体平均碳含量高，但是相对于高碳奥氏体来说，其含量还是低的。所以在较高温度淬火时，板条马氏体比例增大。板条马氏体比针状马氏体韧性高，因此，该钢可以在较高的温度下淬火。但板条在300-400℃回火时，因析出的碳化物沿板条分布，会显示出回火脆性。所以，在较高的温度下淬火，获得以板条状马氏体为主的显微组织时，应避开回火脆性区，或者以较高温度回火(450-520℃)，或者在较低温度回火(150-250℃)。如果需较低的回火硬度，则应提高回火温度(520℃以上)方能避开回火脆性区。不过此时需要严格控制回火制度，否则，回火硬度会随回火温度变动发生很大的变化。另外，对残余奥氏体量要求降低至最小的薄刃工模具，淬火后应进行二次回火或三次回火。 3 ^9 _) I( ~/ G, M

4、结论

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1. 工模具钢5Cr8MoVSi840℃退火，硬度为HB218，碳化物颗粒平均尺寸为0.94µm，碳化物体积分数为0.32，碳化物类型以M₂₃C₆为主，并有少量的MC和M₇C₃。
2. 工模具钢5Cr8MoVSi合适的淬火温度为980-1050℃，最高硬度为HRC60-61。随淬火温度升高，淬火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到以板条状马氏体为主。剩余碳化物以MC和M7C3为，M23C6型碳化物在淬火时大部分溶解。
3. 工模具钢5Cr8MoVSi仅通过一次回火，残余奥氏体量减少不大，因此，应进行二次或三次回火。在480-510℃回火，有二次硬化现象，回火硬度可升到HRC58-60。