回火溫度對(duì)4Cr13塑料模具鋼組織與耐蝕性能的影響

于 多 沙春暉 劉 偉 陳 旋 呂穿江 吳曉春

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

21世紀(jì)以來，塑料行業(yè)飛速發(fā)展，已與鋼鐵、水泥、木材一起構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)的四大基礎(chǔ)材料，因此，塑料模具工業(yè)對(duì)模具鋼的需求量也越來越大。塑料模具鋼的工作溫度一般在200 ℃左右[1]，對(duì)強(qiáng)韌性和耐蝕性的要求很高，尤其是某些含氟、氯等的塑料在熔融狀態(tài)會(huì)釋放出有強(qiáng)烈腐蝕性的HCl等，需要具有高耐蝕性的塑料模具鋼[2]。其中，4Cr13鋼經(jīng)過適當(dāng)熱處理可獲得較高的強(qiáng)度和耐磨性，可電蝕加工花紋，是一種綜合性能良好的高級(jí)塑料模具鋼[3- 4]。但目前對(duì)于4Cr13塑料模具鋼在不同熱處理狀態(tài)下的耐蝕性的研究報(bào)道較少，因此本文主要探討了回火溫度對(duì)4Cr13鋼的顯微組織和耐蝕性能的影響，以期為今后的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的4Cr13鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

淬火溫度決定殘留奧氏體和馬氏體中合金固溶度，由于選定鋼種Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.70%，其Accm溫度應(yīng)在900 ℃左右[5]。而馬氏體不銹鋼在工程中常用的奧氏體化溫度為1 000～1 050 ℃，因此本文選擇試驗(yàn)鋼的奧氏體化溫度為1 030 ℃，保溫時(shí)間為30 min，真空油淬。淬火后再進(jìn)行不同溫度的回火，回火在KSY- 6D- 16型回火爐中進(jìn)行，回火溫度分別為250、280、300、480、500和540 ℃，每個(gè)溫度進(jìn)行2 h×2次回火，空冷。

表1 4Cr13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the 4Cr13 steel (mass fraction) %

將熱處理后的試樣磨制并拋光后,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.7%的FeCl3腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，采用Nikon MA 100型倒置式光學(xué)顯微鏡(OM)和Zeiss Supra- 40場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡(SEM)對(duì)試樣中部進(jìn)行觀察。采用69- 1型洛氏硬度計(jì)按照GB/T 230.1—2009測(cè)量試樣的洛氏硬度。電化學(xué)測(cè)量在CS350電化學(xué)工作站進(jìn)行，將試樣加工成尺寸10 mm×10 mm×2 mm的片狀，工作面積為1 cm2，試樣經(jīng)粗砂紙打磨去除氧化膜，焊接導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，制成電化學(xué)試樣。試樣經(jīng)氧化鋁水磨砂紙研磨后，在機(jī)械拋光機(jī)上拋光，以去除表面劃痕，獲得光滑鏡面。拋光后的試樣用水和酒精清洗，放入干燥箱中保存24 h以上，備用。電化學(xué)試驗(yàn)所用溶液為質(zhì)量濃度0.5 mol/L的NaCl溶液，采用3電極體系，試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，文中所有電位均相對(duì)于SCE，掃描速率為0.5 mV/s，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)Tafel曲線采用外推法算出自腐蝕電流I和自腐蝕電位E。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

2.1.1 退火態(tài)組織

4Cr13鋼通常以退火態(tài)交貨，觀察其顯微組織發(fā)現(xiàn)：退火態(tài)組織均勻細(xì)小，存在大量網(wǎng)狀碳化物。這是由于合金含量過高，導(dǎo)致鑄造過程中發(fā)生偏析[6]，這些碳化物的存在大大降低了工件的硬度和耐蝕性，需進(jìn)行淬、回火處理。

2.1.2 淬火態(tài)組織

4Cr13鋼淬火后的顯微組織如圖2所示。可以看出，馬氏體板條束呈現(xiàn)比平行排列，并存在大量φ1～2 μm、沿鐵素體晶界分布的顆粒物，根據(jù)圖3的形貌和EDS能譜分析結(jié)果，判斷其為Cr系碳化物。該類碳化物一般認(rèn)定為(Fe,Cr)23C6。由于淬火馬氏體的C、Cr含量較高，大大增加了晶格正方度，導(dǎo)致其性能極不穩(wěn)定[7- 8]。

2.1.3 回火態(tài)組織

4Cr13鋼為中碳高合金鋼，大量的合金元素提高了鋼的回火抗力， 使淬火馬氏體分解溫度提高，在較高溫度回火時(shí)仍能保持原馬氏體形貌。圖4為不同溫度回火后鋼的顯微組織，可見在較高溫度回火時(shí)仍為回火馬氏體。

圖3 碳化物的形貌及其能譜圖Fig.3 Morphology and EDS patterns of carbides

圖4 4Cr13鋼在不同溫度回火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the 4Cr13 steel after tempering at different temperatures

280、480和540 ℃回火試樣的SEM照片如圖5所示。從圖5可以看出，低溫回火時(shí)，馬氏體基體析出碳化物較少，呈彌散分布，回火溫度升高，碳化物析出逐漸增多，形狀逐漸由顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺睿c原馬氏體板條方向一致且多集中在馬氏體邊界。由于本試驗(yàn)的回火溫度未到達(dá)使馬氏體大量分解的溫度，因此馬氏體板條束形貌都比較明顯。

2.2 性能

2.2.1 硬度

淬火態(tài)試樣的硬度可達(dá)53 HRC。當(dāng)回火溫度在300 ℃以下時(shí)，由于析出少量碳化物，馬氏體含碳量降低，但由于碳化物分布較為彌散，硬度下降不多；至480 ℃回火時(shí)，試樣發(fā)生二次硬化，硬度上升；繼續(xù)升高回火溫度，馬氏體中的碳慢慢向基體擴(kuò)散，基體含碳量下降，同時(shí)析出的碳化物長(zhǎng)大，造成硬度快速下降，如圖6所示。

圖5 4Cr13鋼在不同溫度回火后的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of the 4Cr13 steel after tempering at different temperatures

圖6 4Cr13鋼不同溫度回火后的硬度Fig.6 Hardness of the 4Cr13 steel as a function of tempering temperature

2.2.2 耐蝕性能

通過測(cè)定極化曲線來分析不同溫度回火試樣耐蝕性能的變化，從而揭示4Cr13鋼的腐蝕規(guī)律。圖7和表2分別為不同溫度回火試樣的極化曲線和自腐蝕電位值(Ecorr)。

由圖7可以看出，低溫回火時(shí)，試樣的自腐蝕電位較高，這是由于低溫回火時(shí)析出的碳化物數(shù)量不多(見圖5a)，貧鉻區(qū)較少，耐蝕性較好；中溫回火時(shí)，碳化物大量析出(見圖5b)，且Cr元素?cái)U(kuò)散能力較低，形成較多貧鉻區(qū)，自腐蝕電位快速下降，480 ℃回火時(shí)發(fā)生二次硬化，高合金含量的碳化物脫溶，腐蝕加速，耐蝕性最差；高溫回火時(shí)，自腐蝕電位又上升至低溫回火附近區(qū)域，該階段雖然析出碳化物較多(見圖5c)，但由于較高溫度回火時(shí)Cr元素有很高的自擴(kuò)散能力，可大量消除貧鉻區(qū)，因而耐蝕性上升[10]。

圖7 不同溫度回火試樣的極化曲線Fig.7 Polarization curves of the specimens tempered at different temperatures

表2 不同溫度回火試樣的自腐蝕電位Table 2 Corrosion potential of the specimens tempered at different temperatures

3 結(jié)論

(1)在試驗(yàn)回火溫度范圍內(nèi)，4Cr13鋼的馬氏體板條形貌基本被保留，未發(fā)生明顯分解。低溫回火時(shí)，馬氏體基體碳化物析出較少，呈彌散顆粒狀分布，回火溫度升高，基體內(nèi)開始析出大量碳化物，并沿原馬氏體板條方向呈片狀生長(zhǎng)。

(2)與淬火態(tài)相比，低溫回火的4Cr13鋼的硬度下降不多，480 ℃回火時(shí)，由于發(fā)生二次硬化，硬度又略有上升，繼續(xù)升高回火溫度，硬度則明顯下降。

(3)低溫回火的4Cr13鋼的耐蝕性較好，480 ℃回火時(shí)由于發(fā)生合金碳化物脫溶，耐蝕性明顯下降，繼續(xù)升高回火溫度，由于Cr元素較高的自擴(kuò)散能力，耐蝕性又上升。

(4)綜合考慮，4Cr13鋼應(yīng)在200～300 ℃回火，并避免在二次硬化峰附近溫度回火。