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。 8 x1 S0 H; b$ z5 ~6 H: G$ m$ Q- S. Q* @5 _7 g+ M# Q; {4 G K: d" h

表1 工模具钢5Cr8MoVSi化学成分/%

C	Mn , ]4 r7 S. z; B U	Si % a' j/ @) H7 x: _: p ~9 a+ J	Cr	Mo	V	S	P
0.55 m$ ~$ u! o/ b8 s; J	0.45	0.72	8.13	1.38 % C! V5 t: {' s4 o) v	0.45 , c, H3 l( h+ u' f2 P	≤0.02	≤0.03

2、实验结果及分析

2.1 退火 1 ~, F# T3 Z+ j8 F* i) w

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

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。 ! |, h, f2 b- x: P9 i- E7 X% M0 V2 X1 V+ o7 t' n* H( |8 a9 |* k2 {3 o* R" W; r. I8 h; }/ P$ Z. o- i2 m+ z

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 3 c! K; y) J. X* \7 D/ E1 o, C/ X	残余奥氏体量/% ! w, o6 @* _9 k. [	淬火马氏体	剩余碳化物形态尺寸/µm	体积分数 $ b( l- ~; Y+ }. ~3 U2 Q	尺寸/µm
900	6.3	-	针状+少数板条状 + j2 g# E% m& A- j! T0 {4 {* |	6	0.12	1.5
930 / i4 ]4 U4 F5 h" f2 ?5 Y	8.4 , n, r5 E; y% {* W0 I	-		6	0.10	1.0
950 ' ^7 O# Q% l" I# d4 u	9.3	5.38 2 o. Z. m G& W2 H' B# u	- 3 l& L) [( a# G: t7 \2 I	6 0 `; z1 K* F0 K' X0 e J	0.09 # [. i \! I' C0 K6 g	0.9 ) c, c. T; }. Y% T p
1000	11.3 * C1 P* R" L& h) M; D6 [* M& ~4 r	10.74	板条状+针状 0 x9 r+ ?3 H/ y	11	0.08 5 g4 G- |/ r& e8 s0 |2 u! O	0.6 ) e' U7 T# {! c; { Y
1050	24.4	12.28 3 K- N+ D4 e! \! E9 g8 T	板条状+少量针状	24 : B4 w$ S; T/ E) W. x: B	0.04 4 S2 ]4 ~" s" n+ {6 Y5 r! [( B4 @	0.3

1 @7 f" ?2 ^. x, W8 D

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 : j0 {, m% }: B1 X4 |) N* _

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。

3、讨论

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。 e" n, |6 l7 z' N2 i0 U$ O& J& l

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。 & c9 r ?% A6 `+ @8 O
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。 - G3 J2 x# q' t" S1 e1 a& \0 O
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。

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