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

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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。 ' v. h! S' I8 q; Z( z- J1 ?7 @ _# ~8 ]- p7 C0 l/ ?4 \8 S2 C, W' [) I5 G9 {) b2 x" d3 ~+ j

表1 工模具钢5Cr8MoVSi化学成分/%

C ( B6 }2 X u+ ?" n+ a V	Mn & ~% |4 m0 @9 M A	Si 2 i8 i) P" t: w6 I$ v! |1 N	Cr	Mo	V " [& z( a- W8 K% i	S # c j( }8 x7 g+ k. a	P ( i" Q8 \' D, ]) s6 ^" E
0.55	0.45 3 {* j# W; l ]8 [+ H: N2 r	0.72	8.13	1.38	0.45	≤0.02	≤0.03

2、实验结果及分析

2.1 退火 + Q4 A% b1 F# W1 g

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。 " e; D& }/ Z8 u' D8 R* U( {4 B7 K7 O% y _ M+ i0 O7 ~! g- j4 w

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/% ! w/ ?/ a; ?4 }/ v' V2 |	淬火马氏体	剩余碳化物形态尺寸/µm 6 t& O/ b6 S( e	体积分数 9 y# v4 P1 l; d( G	尺寸/µm # R/ c% ^- _3 r/ A( A
900	6.3	-	针状+少数板条状 " v) {& G% r. x" @* {! Z- T	6 8 i& N& Q, M0 M0 G3 n0 M. C& L	0.12 ( e, D9 Y" A6 M( k	1.5
930	8.4	-		6 - P* g% B) y# w/ d5 s	0.10	1.0 3 d2 }1 [$ {9 U+ j. x' r/ H9 H* b. U
950	9.3 0 f" A% S( t2 H9 m& Q7 f	5.38	- 7 q8 ?' H& b' y* @% l5 s1 Z	6 . W/ e' O' v; P; }3 p/ u	0.09 4 ^6 y# Z; T, q% T	0.9 , ], C$ m% [. C2 z
1000 5 l" U. b {: j' Z	11.3 8 \# Z' t4 Q6 B7 A	10.74	板条状+针状	11	0.08 3 w+ _/ F: h9 }9 t* G4 y8 W	0.6
1050	24.4 2 B7 W: l0 K% s: F- S, _	12.28	板条状+少量针状 / r) P& ]' M0 o- x1 u1 n' a	24 ; R5 p" `+ q1 V, @' j. S1 \	0.04 % E- I! u% I: r3 b	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。

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。

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。 , q: t5 L# v; x- x/ p
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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