回火溫度對含鎢DIEVAR鋼組織和力學性能的影響

項少松 ，吳日銘 ，胡 濤 ，黃 山

（1.上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201600；2.上海市激光先進制造技術協同創新中心，上海 201600）

0 引 言

隨著熱加工產業的不斷升級，金屬件的應用逐漸向輕量化、高強化及精美化的方向發展[1,2]，金屬件的熱成形包括熱擠壓、熱模鍛、熱沖裁等。高溫合金熱擠壓模需承受的表面溫度達700～800℃[3]，故熱作模具鋼不僅要承受高沖擊、高磨損，還要承受超高次數的冷熱循環，導致熱作模具鋼經常出現疲勞[4-6]、裂紋[7,8]等。

DIEVAR鋼是新型高性能的Cr-Mo-V系熱作模具鋼，相比應用廣泛的H13鋼，增加了Mo含量并減少了C、Si的含量，其韌性、延展性及抗龜裂性能都高于H13鋼[9]。但在服役條件較嚴苛的環境下其缺陷也明顯，經過2 000次熱循環后，鋼的熱裂紋長度比高Cr馬氏體熱作模具鋼長35%，且由于Si含量降低，在650℃下的屈服強度也更低[10]。新型熱處理工藝[11]及添加微量合金化元素[12,13]是改善熱作模具鋼性能較好的方法，W在模具鋼中的主要作用是增加回火穩定性、熱硬性、熱強性，并形成碳化物增加材料的硬度，此外W還可以增加鋼材的淬透性[14]。目前，文獻報道W對DIEVAR鋼有何影響尚不明確，因此，在DIEVAR熱作模具鋼成分的基礎上，在真空熔煉過程中添加質量分數為1.0%的W，經單向拔長、去應力退火、真空淬火和不同溫度回火的處理后，對比研究回火溫度對含鎢DIEVAR鋼組織和力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗鋼制備

采用真空感應熔煉爐制備20 kg/支的試驗鋼錠，退火后去除表面氧化皮和縮孔部分；采用天然氣加熱爐將其加熱至1 240℃并保溫2 h進行均質化處理，冷卻后鍛打拔長至24 mm（厚）×55 mm（寬）的鋼坯，并對試驗鋼進行去應力退火。試驗鋼的成分及含量如表1所示。

表1 試驗鋼的成分 質量分數

1.2 熱處理

為探究回火溫度及W對DIEVAR鋼各項性能的影響，從各鋼條上切取尺寸為24 mm×30 mm×55 mm的鋼塊，并對其進行調質處理，真空淬火溫度為1 050℃，回火溫度分別為560℃和600℃，淬火和回火工藝如圖1所示。試驗鋼塊經圖1（a）的真空淬火后，依據圖1（b）的工藝對試驗鋼分別進行回火處理。

圖1 淬火及回火工藝

1.3 性能檢測及組織觀察

性能檢測采用金屬擺錘沖擊試驗機452D-2測量試驗鋼的沖擊功，沖擊樣品規格采用無缺口設計，尺寸為7 mm×10 mm×55 mm，每個試樣取3支，所得的沖擊功取平均值；采用洛氏硬度計HR-150A測量試驗鋼的硬度，每個試樣取5點，第1點不計，后4點取平均值。

組織觀察采用倒置三目金相顯微鏡4XCJX拍攝金相圖片，從沖擊樣中切取10 mm長并鑲嵌作為金相試樣，樣品分別采用 500、800、1 000、1 200、1 500目的砂紙粗磨，拋光后利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕。掃描電鏡拍攝試驗采用設備VEGA3，加速電壓10.0 kV，樣品為金相試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 JmatPro析出相預測

JmatPro預測的試驗鋼回火10 h后析出相的質量百分比，如表2所示，在560℃的回火溫度下，二者析出相的主要差別在M2C和M7C3兩種類型碳化物，其中W-DIEVAR鋼的M2C相減少，M7C3相增多；600℃回火后，W-DIEVAR對比DIEVAR鋼出現M2C和M7C3兩種新的析出相，同時MC和M23C6相減少。

表2 JmatPro預測試驗鋼的析出相質量百分比

2.2 硬度和沖擊功

表3所示為試驗鋼的硬度和沖擊功，在560℃的回火溫度下，W-DIEVAR鋼的硬度比DIEVAR鋼低1.2 HRC，但600℃的回火溫度下，W-DIEVAR鋼的硬度提升明顯，較DIEVAR鋼高2.6 HRC。溫度從560℃提升到600℃后DIEVAR鋼的硬度衰減11.5%，而W-DIEVAR鋼下跌4.6%；2個試驗鋼的沖擊功在560℃回火溫度下均表現優異，W-DIEVAR鋼的沖擊功比DIEVAR鋼高19 J，600℃回火后均出現較大衰減，DIEVAR下降20.7%，W-DIEVAR下降21.8%，兩者下降率接近，但W-DIEVAR比DIEVAR鋼高11 J。

表3 洛氏硬度和沖擊功

2.3 回火穩定性

圖2所示為試驗鋼在600℃下的硬度隨回火時間的變化曲線，由圖2可得，DIEVAR鋼在前10 h內的硬度下降較快，10 h內下降了12.6%，40 h后平均硬度為37.75 HRC；而W-DIEVAR鋼的回火穩定性較好，前10 h下降了5.4%，對比DIEVAR鋼提升了3.5 HRC，40 h回火后的平均硬度為41 HRC，總體相比DIEVAR鋼的硬度最高提升了4 HRC。

圖2 試驗鋼在600℃的回火穩定性

2.4 金相顯微組織

圖3（a）、（b）是DIEVAR鋼分別在560、600 ℃回火的金相組織，從組織來看，不同的回火溫度組織的差異較明顯，DIEVAR鋼在560℃和600℃回火后的金相組織均為板條馬氏體基體，兩者的晶界清晰度均較低，560℃回火后的組織均勻性較好，600℃回火后組織中存在晶界偏聚現象；W-DIAVAR鋼金相顯微組織的情況與DIEVAR鋼類似，但600℃回火后的組織比DIEVAR鋼要好，組織偏析程度相對低，晶粒尺寸也較小，如圖 3（c）、（d）所示。

圖3 試驗鋼的金相組織

2.5 SEM顯微組織

試驗鋼的SEM組織如圖4所示，根據掃描電鏡的結果可以看出，不同回火溫度對試驗鋼析出相的影響較大，如圖4箭頭指示，560℃的回火溫度，DIEVAR鋼中能觀察到細小的桿狀析出相，而W-DIEVAR鋼中有小顆粒析出相；在經過600℃回火后，2種試驗鋼中的顆粒析出相長大，且馬氏體組織均有不同程度的回復現象，相比之下，W-DIEVAR鋼的析出相粗化、馬氏體組織的回復程度都更低，且有較多細小的顆粒析出。

圖4 試驗鋼的SEM組織

表4所示為圖4中1、2兩點的EDS分析結果，根據能譜結果可知，DIEVAR鋼中的顆粒小球是富Cr型碳化物，Cr原子比超過15%，Mo占比也超過12%；W-DIEVAR鋼中的顆粒析出相也是富Cr型碳化物，原子占比超過16%，其次為V，占比接近10%，同時，能看到W參與了碳化物的析出，對比DIEVAR鋼，W-DIEVAR鋼中顆粒析出相的Mo含量大量降低，但V增多。

表4 顆粒析出相元素的EDS分析結果 原子分數

3 分析討論

試驗鋼在600℃回火后，性能改變明顯，硬度、回火穩定性和沖擊功均有較大的提升，從組織來看，低溫回火的組織均勻性佳，成分偏析程度較低，而偏析現象在鋼中應盡量消除，以免偏析引起成分不均造成性能下降[16]；W添加至DIEVAR鋼中后，JmatPro析出相計算結果中表明形成了新的碳化物M2C和M7C3，使得游離態C減少，對于C的偏聚現象能起到一定緩解作用，因此，W-DIEVAR鋼中的偏析程度低；600℃回火后W-DIEVAR鋼的晶粒尺寸及馬氏體形態都相對小，這與W引起的奧氏體相區縮小及超細析出作用有關[16,17]，由于相區縮小，在鋼的奧氏體狀態下限制了珠光體和鐵素體的轉變且有更高的合金化元素含量，在冷卻過程中，奧氏體轉變的馬氏體更細小，W能細化晶粒并產生固溶強化效應進而提高鋼的力學性能[16]，由此提升了試驗鋼的硬度和沖擊性能。

析出相類型與鋼材性能有著緊密的聯系，一般從形貌看，桿狀析出相主要是M2C或MC[18]，而小球狀碳化物主要是M23C6或M7C3[19]。試驗中DIEVAR鋼出現的析出相，根據EDS能譜結果證明，調質處理后DIEVAR鋼的析出相主要為富Cr型碳化物，JmatPro的計算結果表明DIEVAR鋼中的碳化物為(Fe,Cr)23C6、Mo(V)C；W-DIEVAR鋼中有M23C6和M7C3兩種富Cr型碳化物，但總量較少，且尺寸較小，表明W能抑制富Cr型碳化物的析出和長大，EDS能譜結果中，W的加入抑制了碳化物中Mo元素富集，但促進了V富集，Mo原子半徑要大于V原子，因此，W能有效控制析出相尺寸，并且W是M6C、M2C、MC型碳化物形成的主要元素，即Fe3W3C、W2C或WC。MC型碳化物是晶核在鐵素體基體上直接形成，其形成方式為離位析出，這種方式形成的碳化物細小彌散，對鋼的強度、硬度提升明顯[16,20]，M2C型碳化物的熔點、硬度較高且很穩定[16]。根據計算，W-DIEVAR鋼中還出現M2C型碳化物，因此其在600℃回火后的硬度有提升。根據圖3所示的結果，W-DIEVAR鋼的納米級析出相較多，產生了對位錯的釘扎作用，而DIEVAR鋼碳化物析出較多，且經600℃回火測試后粗大嚴重，說明W的添加會促進DIEVAR鋼中析出細小碳化物且強化馬氏體。

4 結束語

經研究表明，質量分數為1.0%含量的W對DIEVAR鋼組織的改善和性能的提升均有積極作用，主要體現在以下2個方面。

（1）性能和組織方面。560℃回火后鋼的性能和微觀組織形貌變化較大，添加W后試驗鋼的硬度下降1.2 HRC但沖擊功上升19 J，600℃回火后硬度提升2.6 HRC，沖擊功提升11 J，并且經長時間回火后，W-DIEVAR表現了優越的回火穩定性。

（2）微觀析出方面。添加W后，馬氏體組織和晶粒大小都有不同程度的細化，晶界偏聚得到緩解，抑制了DIEVAR鋼碳化物的析出和長大。鋼中出現M2C和M7C3兩種新的碳化物類型，且尺寸在納米級（20-200 nm），有效提升了DIEVAR鋼的性能。