热处理过程中铌对高铬钢组织性能的影响

Ｊｕｎ．２０１０　铸造ＶＯＩ．５９　ＮＯ．６　ＦＯＵＮＤＲＹ　热处理过程中铌对高铬钢组织性能的影响　张宇光，赵爱民，赵征志，王艾青，唐狄　（北京科技大学冶金工程研究院，北京１０００８３）　摘要：研究了热处理工艺对新型高铬钢硬度和冲击性能的影响，并分析了含Ｎｂ新型高铬钢经过不同热处理后的组织。　结果表明，Ｎｂ增加了合金碳化物的稳定性，在高铬钢加热奥氏体化过程中阻碍了碳化物的溶解。其最佳奥氏体化温度　为１　０７０～１　１００℃，比传统Ｄ２钢（Ｃｒｌ２ＭｏｌＶ１）提高了约１００℃。Ｎｂ细化了晶粒，改善了高铬钢的韧性。在降低少量硬　度的情况下，冲击韧性提高了１倍。　关键词：热处理；高铬钢；铌；硬度；碳化物；冲击韧性　中图分类号：ＴＧ１４２．１＿＿３文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４９７７（２０１０）０６—０６１１—０３　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｎｂ　Ｏｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　ＣｈｒＯｍｉｕｍ　ＳｔｅｅＩｂｙ　Ｄｉ仟ｅｒｅｎｔ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ－ｇｕａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ａｉ－ｍｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｚｈｅｎｇ—ｚｈｉ，ＷＡＮＧ　Ａｉ—ｑｉｎｇ，ＴＡＮＧ　Ｄｉ　（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒ０ｍｉｕｍ　ｓｔｅｅ１　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍｉｃｒＯｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｎｉｏｂｉｕｍ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｌｌｏｙ　ｃａｒｂｉｄｅ，　ａｎｄ　ｄｅｌａｙｓ　ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒＯｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｉｔｓ　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｚｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｚｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　１　０７０—１　１　００。Ｃ．ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　１　００。Ｃ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　Ｄ２　ｓｔｅｅＩ（Ｃｒ１２Ｍｏ１Ｖ１）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｎｉｏｂｉｕｍ　ｃａｎ　ｒｅｆｉｎｅ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｇｒａｉｎ．　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｓｔｅｅＩ　ｔｏ　ｔｗｏ　ｔｉｍｅｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　Ｄ２　ｓｔｅｅ１　ｗｉｔｈ　ｏｎｌｙ　ａ　ｌｉｔｔｌｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｈｉｇｈ　ｃｈｒＯｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ；ｎｉｏｂｉｕｍ；ｈａｒｄｎｅｓｓ；ｃａｒｂｉｄｅ；ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　Ｃｒ１２型钢是国内最常用的冷作模具钢之一。提高　用十字锻造法锻造成圆锭。试样用线切割在锻造后的圆　模具的质量，延长模具的寿命，直接和间接带来的经　锭上截取，加工成１０　ｍｍｘｌ０　ｍｍｘ５５　ｍｍ无缺口试样，　济效益和社会效益是难以估量的。由于高铬钢含有大　在ＲＪｘ一８．１３位式电炉加热，处理后的试样在ＪＢ５型摆锤　量的碳化物，因而具有良好的耐磨性。但正是由于大　冲击韧性试验机测量试样断裂的冲击功，用千分尺测量　量的碳化物，造成高铬钢本身存在冲击韧性低的缺陷。　试样的冲击断口的尺寸，　硬度用ＨＲ一１５０Ｄ型洛氏硬度计　这些碳化物很难通过热处理细化，所以一般均粗大且　在无缺口试样上选取５个点测试，算出平均值。　不均匀，这种组织造成高铬钢韧性较差，易脆裂，严　金相试样是从冲击韧性试样的断头上截取，经过　重影响模具的使用寿命。为了改善高铬钢的这种缺陷，　打磨、预磨和抛光制备成金相试样，用王水浸蚀的条　提高模具的使用寿命，经过调整成分，加入一定量的　件下，用Ｌａｂｏｒｌｕｘ　１２型光学显微镜观察其金相组织，　铌，开发了一种新型的高铬钢。本文研究了不同铌含　并采用Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｓ－３６０型扫描电镜观察其显微组织。　量的新型高铬钢经过相同热处理工艺后，硬度与韧性　１＿２化学成分　的变化，并对其金相组织进行了分析。　新型高铬钢与传统Ｄ２钢的化学成分如表１所示。　１　试验方案　１．３热处理工艺　试验用高铬钢和Ｄ２钢的热处理工艺分为球化退火，　１．１试验方法　调质，淬火和回火４个步骤。图１为淬火回火工艺图。　试验用钢使用５０　真空炉进行熔炼，浇注成锭，　Ｄ２钢淬火温度为９５０℃、９８０℃、１　０１０℃、１　０４０℃、　基金项目：北京市科委重大项目（Ｄ０７０１０３００７００７０１）；　“十一五”国家科技支撑计划（２００６ＢＡＥ０３Ａ０６）。　收稿日期：２００９—１ｌ一０４收到初稿，２００９—１２—０５收到修订稿。　作者简介：张宇光（１９８３－），男，在读博士，主要从事汽车用钢的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：　ｇｂｋ＠１６３．ｃｏｒｎ，电话：０１０　６２３３２６１７　Ｊｕｎ．２０１０　・６１２・　ＦＯＵＮＤＲＹ　Ｖｏ１．５９　Ｎｏ．６　１　０７０℃、１　１００℃，含Ｎｂ高铬钢淬火温度为１　０１０℃、　１　０４０℃、１　０７０℃、１　１００℃、１　１３０℃、１　１６０℃。所　有试样均预先经过球化退火和调质处理。　时间／ｈ　图１淬火回火丁艺　Ｆｉｇ．１　Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　２试验结果和分析　ｕ　ｚ　熄　∞　”　２．１铸态组织　图２为Ｄ２与试验用高铬钢的铸态组织，由图２可以　明显看出加入了Ｎｂ，铸态组织的晶粒细小。这是由于　铌是强碳化物形成元素，加入钢中能与碳形成高熔点　的稳定碳化物，在凝固过程中，它可作为非均质晶核，　增加形核率，细化结晶组织Ｉ１＿。同时在奥氏体化温度　下，ＮｂＣ质点的存在，能阻止奥氏体晶粒的长大。　（ａ）Ｄ２钢　（ｂ）含Ｎｂ高铬钢　图２　Ｄ２与试验用高铬钢铸态组织　Ｆｉｇ．２　Ａｓ—ｃａｓｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆＤ２　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ　２．２热处理后的力学性能　２．２．１硬度测试　图３为新型高铬钢的洛氏硬度。由文献［２］得出的结　奥氏体化温度，℃　（ａ）淬火态洛氏硬度　６２６１　。　莲５６　５５　５４５３　奥氏体化温度／ｏＣ　（ｂ）２００℃回火后的洛氏硬度　图３试验用高铬钢的洛氏硬度　Ｆｉｇ．３　Ｒｏｃｋｗｅｌｌ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆｔｅｓｔ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ　论，普通高铬钢的最佳奥氏体化温度为１　０１０～１　０４０℃，　保温时间为２０　ｍｉｎ。图３也可以明显地看出，普通Ｄ２钢　在１　０１０℃淬火得到硬度最大值。本文所研究的新型高　铬钢在１　０１０℃淬火时，硬度不但不能达到ＨＲｃ６０以上，　反而降到了ＨＲＣ５５以下。新型高铬钢在１　１００℃可以得　到硬度最大值ＨＲＣ６２．５。　淬火后，马氏体是高铬钢的基体，是高铬钢主要　的物相。马氏体是一种相对韧性比较差的相。随着马　氏体含碳量的增加，其硬度上升，韧性下降，反之亦　然。马氏体转变不需要原子扩散，而是依靠复杂的切　变过程来进行的。马氏体转变不会引起化学成分的变　化，只产生结构类型的变化［３Ｊ，所以，要得到硬度较高　的马氏体，就必须使奥氏体溶入较多的碳，也就是要　在奥氏体化过程中使碳化物尽可能地溶解。　文献［３－４］指出，随淬火温度升高，碳化物溶解量增　大。其中，Ｍ３Ｃ型碳化物在９８０℃左右全部溶解；Ｍ６Ｃ　型碳化物在９８０～１　１００℃溶解量迅速增大；Ｍ∞Ｃ　型碳　化物在９２０℃以上随淬火温度升高，溶解量迅速增大，　到１　０２０℃左右全部溶解；Ｍ　Ｃ　型碳化物在９２０～９８０℃　之间溶解速度较快，之后随淬火温度的变化溶解速度　变化不大；ＶＣ在１　０００℃少量溶解，在１　１００℃以上大　量溶解；ＮｂＣ在１　２００℃才开始溶解。　铸造　张字光等：热处理过程中铌对高铬钢组织性能的影响　・６１３・　当钢中存在多种过渡族金属元素时，存在着复合　碳化物，在满足点阵类型，点化学因素和尺寸因素三　个条件时，其中金属原子可互相置换，￣ＭＴｉＣ．ＶＣ系列　形成（Ｔｉ，Ｖ）Ｃ，ＶＣ．ＮｂＣ系列形成（Ｎｂ，Ｖ）Ｃ等。否　则就是有限溶解。如Ｆｅ　Ｃ可形成（Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、　Ｖ）３Ｃ，Ｃｒ２３Ｃ６可形成（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ）２３Ｃ６等。　当钢中有多种合金元素共存时，会出现多种碳化物、　氮化物或碳氮化物并存的状态。一般根据其与碳或氮　结合能力的强弱而异，强的碳化物形成元素优先与碳　结合，形成自己的碳化物，然后才形成较弱的碳化物，　而较弱的碳化物形成元素的存在也会降低强碳化物在　钢中的稳定性。反之，强碳化物形成元素也能部分溶　人较弱的碳化物，并提高其在钢中的稳定性『５］。　图４为试验用高铬钢的ｓＥＭ照片，图４中Ａ点与Ｂ点　所指的位置为二次碳化物，ｃ点指向的位置为一次碳　化物。从表２看出，在新型高铬钢中，一次碳化物和二　次碳化物中都检测到有Ｎｂ的存在，只是含量多少有所　差别。由于Ｎｂ增加了合金碳化物的稳定性，所以试样　一　ｇｕ邑＼遥　啊量　在１　０１０℃奥氏体化过程中，含Ｎｂ高铬钢碳化物溶解　犍　船　得少，奥氏体含碳量少，形成的马氏体含碳量也低，　导致了最终材料的硬度值偏低。　图４试验用高铬钢的ｓＥＭ照片　Ｆｉｇ．４　ＳＥＭ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆｔｅｓｔ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ　表２图４中标记点的能谱分析　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｏｉｎ￣ｍａｒｋｅｄ　ｉｎ　Ｆｉｇ．４　２．２．２冲击韧性　图５为不同热处理工艺下试样的冲击韧性变化曲线。　从图５可以看出，在各自最佳奥氏体化温度的条件　下（对于传统Ｄ２钢为１　０１０℃，对于含Ｎｂ高铬钢为　１　１００℃），含Ｎｂ高铬钢冲击韧性要显著优于普通Ｄ２　钢，Ａ　值比Ｄ２钢高了１倍，而洛氏硬度仅仅降低１。由　于Ｎｂ的加入，铸态组织就得到了晶粒细化。根据奥氏　体晶粒粗化的遗传性，原始铸态组织的晶粒越细小，　奥氏体化温度／　图５不同热处理工艺下Ｄ２钢和高铬钢冲击韧性　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆＤ２　ｓｔｅｅ１　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｅｒｅｍ　ｈｅａｔ　ｔ￣ｍｍｅｎｔ　其经过热处理的晶粒也相对比较细小。细化晶粒可以　同时提高材料的强度和韧性，所以在相同的热处理工　艺下，Ｎｂ含量的增加是能够提高材料的韧性的。文献　［６］指出在高速钢中加入一定量的Ｎｂ可以减少共晶碳化　物，甚至使许多共晶碳化物网断开，取而代之的是块　状碳化物。众所周知，网状碳化物对材料的韧性是非　常有害的，即使经过锻造，也无法完全破碎网状碳化　物。这些网状碳化物很难通过热处理细化。Ｎｂ在细化　奥氏体晶粒的同时也部分改善碳化物的形貌，这使得　含Ｎｂ高铬钢相对于普通Ｄ２钢，能够在不显著降低硬度　的条件下提高韧性。　３结论　（１）Ｎｂ在高铬钢凝固过程中能细化铸态组织，对　提高高铬钢的韧性有比较好的效果。　（２）Ｎｂ能够溶解到其他合金碳化物中，在高铬钢　的奥氏体化过程中起到增加较弱的碳化物的稳定性，　阻碍碳化物溶解的作用。　（３）对于本文设计的试验用高铬钢，其最佳奥氏　体化温度为１　０７０～１　１００℃。　参考文献：　［１】宋延沛，王爱琴，王文焱，等．ＲＥ－Ｎｂ对铸造３Ｃｒ２ＭｏＮｉＷＶ热锻　模具钢组织和力学性能的影响［Ｊ］．钢铁研究学报，２００６，１８　（２）：３７—４Ｏ．　［２］周欢，张宇光，赵爱民．不同热处理工艺及深冷处理对Ｄ２钢硬度　及组织的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００６，３５（２４）：４９—５１．　［３］宋维锡．金属学［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８０，２６０—２６１．　［４］张春基，河镇哲，马永庆．ｃｒ．ｗ—Ｍｏ—Ｖ—ｓｉ工模具钢热处理时碳化　物的转变Ⅲ．金属热处理，２０００（４）：２４—２６．　［５】吴承建，成国良，强文江．金属材料学［Ｍ】．北京：冶金工业出版　社，２０００，１３—１４．　［６】毛卫民．Ｎｂ对Ｍ２高速钢共晶碳化物组织的影响［Ｊ］ｌ北京工业大学　学报，１９９４，２０（２）：３３—３８．　（编辑：刘冬梅，ｌｄｍ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃＯｒｌ１）