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。 * ]9 i' w! I& W) y. d; y

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。 * e6 d) T$ |4 O: v6 w2 S) g" |3 p- U% e8 q6 q% R: {( n; q3 K: t. k+ [' r: o! `/ b, X$ [

表1 工模具钢5Cr8MoVSi化学成分/%

C / t5 H9 `/ E! g+ J$ w/ I" k	Mn	Si 0 z+ |$ A( f" b0 [* ~* n) g	Cr . ]+ V: r0 t8 V, w* B, D4 Z	Mo 4 P( x$ b5 \! k6 P	V $ f& U# r8 g" o- _2 |$ m) t9 g	S ) ?0 `! P2 W1 O. d9 T. g	P
0.55	0.45	0.72	8.13	1.38 / ]4 p$ G$ `: G5 L- [	0.45	≤0.02 , C, Z7 ?- n" t: `( x% k( t. c: Y$ d	≤0.03

9 n0 F7 k2 O# n3 w9 m0 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

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。 , I$ ? z9 `" h- C* _5 w" j( J. C, V/ O3 B! c" D' E# C, R3 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 - c% k. {- H e: e: s1 H

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淬火温度/℃	奥氏体晶粒度/µm	残余奥氏体量/% ! M f, ]; [" I; a$ u$ A	淬火马氏体	剩余碳化物形态尺寸/µm 4 |& i- `, c- l' }	体积分数 / c$ g: l$ {8 T' [9 N. S9 ~	尺寸/µm + ]* Z" n9 w- A' i
900	6.3 8 f0 P+ @# J8 B+ }; [3 Q	-	针状+少数板条状 ) e7 M3 n1 G+ e	6 : Q; U2 D" X% @" Z t7 r) o	0.12	1.5
930	8.4 3 O0 i. Z( \ p) @4 H: z	-		6 8 y' I% B9 X, E2 G	0.10	1.0
950 & h5 Q, Z: G5 @7 a0 E7 Z- _	9.3	5.38	-	6	0.09	0.9 8 X* @* K5 l2 d! | o
1000	11.3 ; }" [$ j1 B8 ?' J8 C	10.74	板条状+针状	11 : T" r: O* v6 e% A+ }" g- A, t	0.08 4 Z5 l2 o; b+ \) H* T	0.6
1050 ( \+ ~: f: a6 I/ ?( C- ^+ I	24.4	12.28	板条状+少量针状	24 0 T7 M( B* w8 o) y! h7 Z	0.04	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 3 a0 D5 }. O6 z% X1 |

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。
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。