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。 # L. _ F$ Z( T3 A

表1 工模具钢5Cr8MoVSi化学成分/%

C 2 `2 B' ^& G" K* S9 G2 K6 O, I. c	Mn	Si 0 ?/ D7 \( J$ O; d	Cr ) ^7 V9 S- m3 q( @	Mo , Y" R/ N4 v4 m+ w	V % q/ \- G6 Q1 u; c, d! k. j' B: H	S	P
0.55	0.45 # N0 J5 R2 G4 h8 p	0.72	8.13	1.38	0.45 ) ?7 k" y' u m9 ]& c6 w	≤0.02	≤0.03

0 H) Z% a! I1 A! s/ t _

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

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。 ' P7 J5 u3 V& D, |9 r, A) h; j. j S4 L0 M4 g% t I5 x- M% E$ N9 W) j7 g( e# \1 }3 }2 r8 J: U0 u, T9 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 : I% H9 h) ?8 Y- p' N

淬火温度/℃	奥氏体晶粒度/µm	残余奥氏体量/%	淬火马氏体 & N: q/ p; g/ U& c	剩余碳化物形态尺寸/µm	体积分数 + q$ q1 E4 u: p6 }	尺寸/µm ) |3 e* R2 E* b( K2 p
900 ) y# Y9 u# F7 B" m	6.3	-	针状+少数板条状 . m. Z' e# }, y6 K, s1 r$ Q	6 8 u( O6 o- b# w% [1 T& G0 l" k5 I	0.12	1.5
930	8.4 5 | ^( a5 a2 Z/ O. {: W& U- M9 a	-		6	0.10	1.0 * s4 q: W n0 j3 k
950	9.3 8 l _2 r) H8 B2 y- I- b) c1 ^	5.38 ; T( H' z: n% k	- 6 \" E7 ?# p# y	6	0.09 3 S" b' z* x% J- ^3 q	0.9 ' H9 t2 n! X) R, G# p3 \
1000	11.3 ( ]- w+ y0 J/ P	10.74 5 ?( D+ ]5 K% B6 ?; F	板条状+针状 q1 T" n' Q; E4 m2 B, u2 I4 T	11	0.08 8 a7 j& m% V3 Q' X	0.6 & b5 w( ]& X" O
1050 7 J' L6 w9 Y p. y	24.4 : L2 [$ G# g V6 E* l7 R	12.28 ; e. }9 [6 ^) | v	板条状+少量针状 2 @" i9 R6 r% m8 a! z	24 + ~7 L. D5 Z% _" X6 e	0.04 . R' k* S7 x4 G0 L$ ?6 w& q( e5 P	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

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。 ) E7 A+ c0 w% ?$ j

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。

4、结论

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。

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