调制工艺对Cr钢组织和性能的影响

邬志军，林 华，李占妮

(皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012)

调制工艺对Cr钢组织和性能的影响

邬志军，林 华，李占妮

(皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012)

Cr合金钢的预硬化状态及其组织性能对钢材的使用具有重要影响，而调质工艺的选择优化可以获得良好的预硬化状态。本文通过设计热处理实验，探究了不同的淬火温度和回火温度状态下3Cr2Mo合金钢的组织性能状态，分析了该钢材的硬度、冲击韧性和力学性能的变化，从而确定了热处理的最佳工艺。研究表明，该钢材通过900℃油淬1h+550～620℃空冷回火处理后可以获得最佳的硬度状态，强韧性均能够达到使用要求。

Cr合金钢；调质工艺；组织性能

Cr合金钢具有良好的物理化学性能，是目前塑料模具广泛采用的一种钢材。钢中添加了Cr元素，材料的性能得到改善，经过大量的研究表明，Cr元素能促进强度、硬度和耐磨性的提高，同时能降低材料的塑性和韧性[1-3]。另外，添加Cr元素后，钢的抗氧化性和耐腐蚀性有所增强，因此，Cr元素广泛应用于不锈钢、耐热钢等钢材中。塑料模具钢逐渐成为主要的模具用材，塑料模具钢应保证足够的强度，且对钢材的纯净度、光整度具有很高要求，同时，塑料模具钢需要具有良好的预硬化性能。在预硬化状态下，塑料模具钢的硬度、组织的致密程度是保证模具钢质量的重要因素。Cr合金钢是我国在引进美国塑料模具钢的基础上研发出的一类合金钢，Cr合金钢需要进行一定的热处理来获得良好的预硬化性能，我国已经将一系列的Cr合金钢纳入了国家标准，比如3Cr2Mo合金钢和3Cr2MnNiMo钢[4-5]，这些钢材已经得到了广泛的应用。但是在实验室研发阶段，对于一些已经标准化合金钢元素的钢材来说，对钢材的加工和热处理就显得尤为重要，如何进行合理的调质处理来获得良好的预硬化状态对钢材自身具有重要意义，且更加满足模具钢的要求[6-9]。预硬化状态可以通过合理的控制淬火、回火温度和时间来确定最佳状态，良好的工艺可以实现合金钢组织中的高温组织改善、晶粒细化程度，从而改善硬度、韧性等综合性能[10]。

本文选择了一种含Cr的合金钢3Cr2Mo 塑料模具钢作为研究对象，研究了该模具钢的热处理工艺，通过改变淬火温度、回火温度研究材料的硬度、冲击韧性、组织分布等内容，通过归纳确定该模具钢的最佳预硬化热处理工艺。

1 实验材料与方法

本文选择了一种国家标准的含Cr合金钢3Cr2Mo，这种钢材的主要元素包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Al、Fe。从目前已经获得的数据可以得到该合金钢的膨胀曲线及DSC曲线，升温的临界点Ac1=760℃，Ac3=820℃，根据膨胀法进行实验得到的临界点为330℃[11]，这些参数为本实验的结果分析提供参考。调质处理中淬火温度设置为770℃、810℃、850℃、890℃、930℃、970℃、1010℃、1050℃、1090℃、1130℃、1170℃、1210℃，经过1h保温处理后在油液中进行淬火处理，通过光学扫描显微镜观察组织情况，采用拉力测试仪进行力学性能测量，采用硬度测量仪测量硬度。设计对比试验，设计630℃回火处理3h，再测量硬度和冲击韧性。冲击试样采用规模为10mm×10mm×55mm。回火处理的温度设置为500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃，目前通常的回火时间为1～3h，本文的回火时间选择2h，回火处理后进行空冷处理，在扫描电镜下观察组织情况，在拉力测试仪和冲击测量仪上测定力学性能和冲击韧性。

2 实验结果与分析

2.1 淬火温度变化对合金钢组织性能的影响

表1是实验测量的结果，包括淬火硬度和冲击韧性。为直观看出淬火温度变化对硬度的影响，绘制淬火温度和硬度变化的曲线如图1，淬火温度和冲击韧性变化的曲线如图2。

表1 淬火温度对Cr合金钢性能的影响

图1 淬火温度和硬度的变化关系曲线图

从图1可以看出，在810℃以下进行淬火处理，硬度值相对偏低，提高淬火温度时，硬度值逐渐增加，增加速度较快。淬火温度在850～930℃范围内变化时，合金钢的硬度变化相对平缓，在53HRC左右变化，这就表明，这种合金钢的淬火区间较大。淬火温度增大到950℃以上时，硬度值呈现下降趋势，并且下降的趋势比较明显。在对比试验中，通过不同的淬火温度经过630℃回火处理，硬度总体变化比较平缓，呈现先缓慢上升再缓慢下降的趋势。由图1中可以明显看出，经过回火处理后，合金钢的硬度值整体偏小的。在合金钢内部，随着奥氏体温度升高，组织中的板条马氏体的数量增加，由于板条马氏体的位错密度较大，强韧性相对较好。

图2表示在不同的淬火温度下进行630℃回火处理3h，合金钢的冲击韧性变化情况。从图2可以看出，冲击韧性存在最大值，即在淬火温度为930℃时，冲击韧性最大，为210J/cm2。当淬火温度小于930℃时，冲击韧性随着淬火温度的增加不断增加，高于930℃时，冲击韧性随着淬火温度的增加而减小。

图2 淬火温度和冲击韧性的变化关系曲线图

图3 不同淬火温度下的金相组织

分析图3不同淬火温度下的金相组织：随着淬火温度的增加，奥氏体的温度增加，碳化物逐渐进入到奥氏体中，此时组织中含有较多的针状马氏体，组织成分较多且分布并不均匀，这说明淬火温度并不高。增加淬火温度时，在850～930℃范围内，组织中的马氏体全部转化为板条马氏体。当温度增加到1000℃时，奥氏体的晶粒变大，碳化物充分固溶，板条马氏体变得粗大，晶粒粗大，硬度和冲击韧性均降低。在对比试验中，回火处理可以提高板条马氏体的位错密度，碳化物扩散的程度增加，硬度增加，板条马氏体和残留奥氏体的配合程度达到一种最佳状态，从而获得了最佳的硬度和冲击韧性。

通过上面的分析可以得出结论：该种模具钢最佳淬火区间为850～930℃，在这个温度区间进行淬火处理可以获得平稳的、较高的硬度值和最佳的冲击韧性。

2.2 回火温度变化对合金钢组织性能的影响

表2是进行回火处理的合金钢特性参数。可以看出，不同的回火温度下，合金钢的冲击韧性、硬度、力学性能均有所区别。

表2 回火温度对Cr合金钢性能参数影响表

图4和图5分别显示这些性能参数的变化趋势。

图4 回火温度和冲击韧性的关系曲线图

图4 表示回火温度和冲击韧性的变化曲线，随着回火温度的不断增加，该模具钢的冲击韧性不断增加。结合图6进一步分析合金钢的内部组织，合金钢的端口形貌随着回火的温度变化而变化。当回火温度较低时，即在550℃以下时，断面发生较大面积的解理现象，韧口窝状物数量较小；回火温度在575℃时，端口形貌可以看出解理现象较少，韧口窝状物的数量增加；回火温度进一步提高时，合金钢断口处发生了较大的变化，出现了大量的范围大而且深的韧口窝状物，仔细观察可以发现窝状物的底部产生了许多碳化物的细小粒子。这表明回火温度的增加可以逐步增加合金钢组织的韧口窝状物(韧窝)，从而提高合金钢的冲击韧性。

图5 回火温度与硬度的关系曲线图

图5表示回火温度与合金钢硬度关系，总体看来，合金钢的硬度随着回火温度的增加而降低。结合图6进一步分析组织物质可以发现，当回火温度增加时，组织中的板条马氏体的数量逐渐减少，由于板条马氏体的位错密度降低，从而导致合金钢的硬度降低。合金钢的硬度降低的速度较快，从210HRC下降值30HRC。对比图1可知，当增加了回火处理工艺时，合金钢的整体硬度显著下降，这与该次实验的结果是相符合的。回火会导致合金钢内部的碳化物扩散溶解，奥氏体的温度增加，板条马氏体变得粗大，位错密度保持减小的状态，导致该模具钢的硬度下降。

图6 不同回火温度对冲击断口形貌的影响

图7 回火温度和伸长率的关系曲线图

图7表示回火温度和伸长率的变化关系，该实验是在870℃油淬处理后，在不同的回火温度下进行的回火2h处理。图中可看出随着回火温度的不断增加，合金钢的伸长率也逐渐增加，且变化的速度相对稳定。结合图6进一步分析，回火温度的增加，在淬火后的合金钢组织中，板条马氏体的特征逐渐削弱，碳化物不断形成，板条马氏体中板条角度较小的界面逐渐消失，马氏体的板条界面面积快速的减少，大角度的板条特征被固定，淬火马氏体的板条特征逐渐粗化，在较高的回火温度时可以保持一定的相位特征和板条边界形貌。回火温度达到700℃时，一些板条特征已经消失，碳化物发生明显粗化。在回火过程中，马氏体碳含量逐渐减小，其固溶强化作用逐渐降低，合金钢的硬度逐渐下降。残余奥氏体中的分解作用并不能显著提高硬度，但是当碳化物析出较多时，基体中的碳化物含量减少，这两者达到平衡后，碳化物的强化作用就明显增强。回火温度开始升高时，残留奥氏体没有分解，阻碍了板条马氏体的分解，碳化物析出，可以消除淬火应力。回火温度升高后，韧性增加，奥氏体的分解速度加快，晶界强度下降，阻碍作用减弱，使冲击韧性降低。恢复与再结晶作用在板条马氏体析出作用下成为了主导作用，冲击韧性进一步增加。直到回火温度高于660℃时，回火组织粗化，碳化颗粒物聚集，韧性降低。

图8 回火温度与硬度指标的关系变化曲线图

图8是在图5同样的实验条件下进行的，Rm和Pp0.2表示合金钢钢的强度指标，随着回火温度的增加，合金钢强度指标的数值均呈现下降趋势，这与图5所示的硬度的变化趋势相当。综合分析可以得到回火强化的原因包括：回火过程中，组织中的会产生一种弥散状态的碳化物造成沉淀强化；在温度逐渐增加的过程中，组织中的残余奥氏体发生了转化，产生了马氏体、贝氏体、珠光体中，造成相变硬化。回火软化的因素可以归纳为：由于碳化物的不断析出，组织中的马氏体固溶强化作用逐渐减弱；随着α再结晶作用，马氏体中的位错强化现象逐渐减小；碳化物在较高的回火温度下，物质会发生聚集增加的现象，从而第二相的沉淀强化效果就明显降低了。由于组织发生了硬化同时也产生了组织软化，且软化的效果大于强化的效果，强化因素成为了主导因素，并且软化因素在回火温度增加时不断强化，强化因素在较高温度下的作用会明显减弱，所以在高于600℃的回火温度时，软化作用加强，导致模具钢硬度和强度降低。

3 结论

(1)3Gr2Mo模具钢的淬火区间较长，在850～930℃范围内获得组织为板条马氏体、残余奥氏体以及碳化物，此时组织较为均匀，使得合金钢的硬度和冲击韧性达到较高水平。

(2)该模具钢在870℃油淬后进行回火处理，随着回火温度增加，淬火马氏体减少，相位和板条形状仍然保持，在570～630℃范围内，硬度达到了最佳状态，韧性可以满足实验要求。

(3)在850～930℃油淬后进行570～630℃回火，该模具钢的组织的调质处理为最佳，并且可以获得良好的组织和力学性能，获得可以满足模具钢使用的预硬化状态。

[1]夏德贵.0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢耐海水腐蚀性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007.

[2]刘宗昌,计云萍,段宝玉，等.板条状马氏体的亚结构及形成机制[J].材料热处理学报，2011(3):56-61.

[3]蒋良.热处理工艺对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响[D].南京：南京理工大学,2007.

[4]李红英,曾翠婷,王法云，等.调质工艺对3Cr2Mo钢组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2011,32(3)：120-126.

[5]关秀格.热处理工艺对20Mn2Si2Cr钢组织性能的影响研究[D].沈阳：东北大学，2013.

[6]鲁思渊.热处理工艺对Cr13型塑料模具钢组织与耐蚀性影响研究[D].北京：清华大学，2015.

[7]隋鹤龙.新型高Cr热作模具钢的组织与性能[D].长春:吉林大学，2006.

[8]张伟，吴晓春，闵永安.奥氏体化温度对10Ni3MnCuAl钢贝氏体转变动力学的影响[J].材料热处理学报，2008，29(6):78-81.

[9] Dai W,Liu J,Geng D,et al.Microstructure and property of diamond-like carbon films with Al and Cr co-doping deposited using a hybrid beams system[J].Applied Surface Science,2015(388):503-509.

[10] Guan X,Wang Y,Zhang G,et al.Microstructures and properties of Zr/CrN multilayer coatings fabricated by multi-arc ion plating[J].Tribology International,2017(106):78-87.

[11] Chen W,Zheng J,Meng X,et al.Investigation on microstructures and mechanical properties of AlCrN coatings deposited on the surface of plasma nitrocarburized cool-work tool steels[J].Vacuum,2015,121:194-201.

(责任编辑：王子君)

Influence of Modulation Technology on the Microstructure and Mechanical Properties of Cr Steel

WU Zhijun,LIN Hua,LI Zhanni

(West Anhui University,Liuan 237012,China)

The pre hardening state and microstructure & properties of Gr alloy steel have an important influence on the use of steel.The optimization of conditioning process can result in good pre hardening state.Based on the design of heat treatment experiment,the microstructure and properties of 3Cr2Mo alloy steel under different quenching and tempering temperatures were investigated.The hardness,impact toughness and mechanical properties of the steel were analyzed.The optimum process of heat treatment is determined.The results show that the steel can get the best hardness condition after 900-hour oil quenching at +550～620℃.At this time,strength and toughness can meet the applied requirements.

Cr alloy steel;tempering process;organizational performance

2016-11-11

皖西学院校级自然科学研究重点项目(KJ103762015B03)；皖西学院校级自然科学研究重点项目(WXZR201623)

邬志军(1971—)，男，讲师，研究方向：机械设计、机械材料研究。

1003-1251(2017)02-0093-06

TG161

A