3Cr2W8V钢的热处理工艺优化

陈庚 苗景国 方琴 苗骁 杨茗潇 蓝海洋 孙洪浪

摘要：利用徕卡金相显微镜、硬度计、电子万能试验机等手段研究了不同的预备热处理工艺、淬火和回火工艺对3Cr2W8V钢组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明，当淬火温度在1020℃至1180℃变化时，3Cr2W8V钢的组织主要为马氏体，当温度上升至1060℃以上时，晶界上开始出现明显的残余奥氏体;当回火温度在500 ℃至700 ℃变化时，在相对较低的温度下组织主要为回火马氏体，在600℃时开始出现回火托氏体;随着回火温度的升高，硬度呈现出先升后降的趋势，而冲击韧性表现出相反的趋势;从宏观断口形貌来看，随着回火温度的升高，断口表面由凹凸不平逐渐过渡为平整，再转变为凹凸不平;与传统热处理工艺相比，新工艺获得了更优异的性能，同时热处理时间缩短了至少2h。

Abstract： The effects of different pre-heat treatment processes， quenching and tempering processes on the microstructure， mechanical properties and fracture morphology of 3Cr2W8V steel were studied by means of Leica metallographic microscope， hardness tester and electronic universal testing machine. The results show that when the quenching temperature changes from 1020℃ to 1180℃， the microstructure of 3Cr2W8V steel is mainly martensite， and when the temperature rises above 1060℃， obvious retained austenite begins to appear on the grain boundary. When the tempering temperature changes from 500℃ to 700℃， the microstructure is mainly tempered martensite at relatively low temperature， and the tempered Trollite begins to appear at 600℃. With the increase of tempering temperature， the hardness increases first and then decreases， while the impact toughness shows the opposite trend. From the macroscopic fracture morphology， with the increase of tempering temperature， the fracture surface gradually transits from uneven to flat and then to uneven. Compared with the traditional heat treatment process， the new process has obtained more excellent properties and shortened the heat treatment time by at least 2 hours.

關键词：3Cr2W8V钢;热处理;优化

Key words： 3Cr2W8V steel;heat treatment;optimization

中图分类号：TG142                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0114-03

0  引言

3Cr2W8V钢属于典型的热作模具钢，常应用于汽车、仪表、家电等模具和金属制品行业中[1-2]。该钢种通常要求同时具备较好的硬度和冲击韧性，这些性能与其热处理工艺密切相关。3Cr2W8V钢常规的热处理工艺通常是锻后以等温球化退火作为预备热处理，再结合一定的淬火和回火工艺，最终获得硬度值在47～51HRC范围的成品。但是该工艺耗时长、耗能大、且生产效率不高，不能够完全保证获得粒度细小、分布均匀的碳化物。有鉴于此，本文对3Cr2W8V钢采取不同的预备热处理工艺、淬火和回火工艺进行研究，以获得更优异的综合力学性能。

1  试验材料和方法

将3Cr2W8V钢预先切割成尺寸为10mm×10mm×55mm的长方体和？准20×15mm的圆柱，再按照“退火+淬火+回火”的工艺流程进行热处理。具体热处理工艺为：①传统退火预备热处理，880℃×1h+740℃×3h，空冷;②快速预冷退火工艺：880℃×15min，空冷至550～500℃，迅速放入740℃的电阻炉中等温1h后，空冷至室温;③将进行了不同退火处理后的试样加热到1020℃、1060℃、1100℃、1140℃、1180℃进行淬火，保温时间20min，油冷;④将退火、淬火优化处理后的试样进行500℃/550℃/600℃/650℃/700℃×2h的二次回火处理。

用LEICA MDMI5000M型徕卡金相显微镜观察组织和断口形貌;用HR150A洛氏硬度计检测硬度;用JBS-300B型摆锤式冲击实验机检测冲击韧性。

2  试验结果及分析

2.1 退火工艺对3Cr2W8V钢显微组织和力学性能的影响  不同的退火工艺下3Cr2W8V钢的显微组织见图1。由图1可知，不同的退火工艺后的组织均为粒状珠光体和粒状碳化物。相较于传统退火工艺而言，快速预冷退火工艺获得的组织中粒状碳化物更加细小，且數量更多，碳化物的分布更加均匀，这是受到快速预冷退火空冷时间更长，过冷度增大的影响。退火处理后的硬度需要满足机加工最佳硬度范围160～230HBW，经硬度检测得知，传统退火和快速预冷退火处理后钢的硬度分别达到了17.5HRC和18.9HRC，均可满足机加工要求，考虑到组织的粗细、分布均匀性和工艺时长的综合影响，快速预冷退火工艺优于传统退火工艺。

2.2 淬火、回火工艺对3Cr2W8V钢的显微组织和力学性能的影响  分别选取了1020℃、1060℃、1100℃、1140℃和1180℃作为淬火温度。由图2可知，当淬火温度在1020℃至1180℃变化时组织主要为马氏体，随着淬火温度的升高，晶粒呈现出长大的趋势。1020℃和1060℃淬火后获得的组织较其它组织更加细小，无明显的残余奥氏体存在，而当温度上升至1060℃以上时，组织中开始出现了明显的残余奥氏体，无规则地分布在晶界上，并且晶粒逐渐粗化。这是因为，在1020℃至1060℃时，组织中碳化物溶入量少，剩余的碳化物对组织奥氏体晶粒长大有抑制作用，淬火后马氏体组织晶粒同样比较细小，在此温度下奥氏体中合金元素和碳化物含量少，奥氏体稳定性差，最终淬火组织中残余奥氏体量较少，以至不足以在组织中显现出来。当温度超过1100℃以后，奥氏体中合金元素和碳化物溶入量不断增加，奥氏体稳定性增加，冷却到室温后形成的残余奥氏体也就越来越多[3]。同时，外界第二相的减少使得奥氏体长大的约束减少，奥氏体晶粒进一步粗化，最终淬火后获得的马氏体组织晶粒也随之粗化。

图3为经1060℃淬火后不同的二次回火温度（500℃、550℃、600℃、650℃、700℃）下3Cr2W8V钢的组织形貌。由图3可知，随着回火温度的升高，组织发生了一定的转变。回火温度为500℃和550℃时，组织与淬火后的组织形貌几乎一致，其实质为回火马氏体。进一步提高回火温度发现，组织中除了原有的回火马氏体外，开始出现了回火托氏体，其数量不断增加，在回火温度为650℃以上时占据了主导地位，此时回火马氏体的组织形貌已变得越发模糊，但碳化物呈现出均匀分布的形态。

图4、图5为快速预冷退火处理后不同的热处理工艺下3Cr2W8V钢的力学性能。由图4可知，随着淬火温度的升高，硬度呈现出单调上升的趋势，在1020℃和1180℃时分别出现最小值和最大值（49.5HRC、53.4HRC）。冲击韧性则呈现出单调下降的趋势，在1020℃和1180℃时分别出现最大值和最小值（33.9J·cm-2、21.3J·cm-2）。考虑到出厂要求、能耗、晶粒大小、碳化物数量的综合影响，选择1060℃作为最佳淬火温度。

由图5可知，随着回火温度的升高，硬度呈现出先升后降的趋势，在550℃时出现最大值48.2HRC。而冲击韧性呈现出相反的趋势，在600℃时出现最小值35.1J·cm-2。结合硬度、冲击韧性和材料需求，在550℃时3Cr2W8V钢获得了硬度和冲击韧性的最佳匹配效果，此时硬度和冲击韧性分别为48.2HRC和36.8J·cm-2。

2.3 热处理对3Cr2W8V钢断口形貌的影响  图6为不同热处理工艺下3Cr2W8V钢的宏观断口形貌。由图6可知，在1060℃×20min 淬火下，当回火温度为600℃时，断口表面更加平整，说明此时的试样在断裂前塑性变形量最小，消耗能量最少，此时冲击韧性最低。500～550℃和650～700℃时断口表面形貌更加粗糙、凹凸不平，塑性变形量更大，消耗能量更多，相应地冲击韧性较高，图中还能看出，700℃时试样的变形量最大，对应地消耗能量最多，冲击韧性也最高。

3  结论

①随着淬火温度的升高，3Cr2W8V钢组织中的碳化物溶入量不断增加，晶界上开始出现明显的残余奥氏体，晶粒有所粗化，硬度不断提高，冲击韧性不断下降。②随着回火温度的升高，组织由回火马氏体转变为回火托氏体，硬度呈现出先升后降的趋势，而冲击韧性呈现出先降后升的趋势。③从宏观断口形貌来看，600℃回火时试样的变形量最小，冲击韧性最低。④综合来看，3Cr2W8V钢经快速预冷退火+1060℃×20min淬火+550℃×2h二次回火后获得了最优异的性能，同时热处理时间缩短了2h。

参考文献：

[1]刘英，张太超.3Cr2W8V钢轧辊热处理工艺改进[J].金属制品，2004，30（2）：37-39.

[2]赵岩.热处理工艺对3Cr2W8V钢组织和性能的影响[J].热加工工艺，2010，39（18）：163-165.

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