回火温度对含钨DIEVAR钢组织和力学性能的影响

项少松 ，吴日铭 ，胡 涛 ，黄 山

（1.上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201600；2.上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海 201600）

0 引 言

随着热加工产业的不断升级，金属件的应用逐渐向轻量化、高强化及精美化的方向发展[1,2]，金属件的热成形包括热挤压、热模锻、热冲裁等。高温合金热挤压模需承受的表面温度达700～800℃[3]，故热作模具钢不仅要承受高冲击、高磨损，还要承受超高次数的冷热循环，导致热作模具钢经常出现疲劳[4-6]、裂纹[7,8]等。

DIEVAR钢是新型高性能的Cr-Mo-V系热作模具钢，相比应用广泛的H13钢，增加了Mo含量并减少了C、Si的含量，其韧性、延展性及抗龟裂性能都高于H13钢[9]。但在服役条件较严苛的环境下其缺陷也明显，经过2 000次热循环后，钢的热裂纹长度比高Cr马氏体热作模具钢长35%，且由于Si含量降低，在650℃下的屈服强度也更低[10]。新型热处理工艺[11]及添加微量合金化元素[12,13]是改善热作模具钢性能较好的方法，W在模具钢中的主要作用是增加回火稳定性、热硬性、热强性，并形成碳化物增加材料的硬度，此外W还可以增加钢材的淬透性[14]。目前，文献报道W对DIEVAR钢有何影响尚不明确，因此，在DIEVAR热作模具钢成分的基础上，在真空熔炼过程中添加质量分数为1.0%的W，经单向拔长、去应力退火、真空淬火和不同温度回火的处理后，对比研究回火温度对含钨DIEVAR钢组织和力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验钢制备

采用真空感应熔炼炉制备20 kg/支的试验钢锭，退火后去除表面氧化皮和缩孔部分；采用天然气加热炉将其加热至1 240℃并保温2 h进行均质化处理，冷却后锻打拔长至24 mm（厚）×55 mm（宽）的钢坯，并对试验钢进行去应力退火。试验钢的成分及含量如表1所示。

表1 试验钢的成分 质量分数

1.2 热处理

为探究回火温度及W对DIEVAR钢各项性能的影响，从各钢条上切取尺寸为24 mm×30 mm×55 mm的钢块，并对其进行调质处理，真空淬火温度为1 050℃，回火温度分别为560℃和600℃，淬火和回火工艺如图1所示。试验钢块经图1（a）的真空淬火后，依据图1（b）的工艺对试验钢分别进行回火处理。

图1 淬火及回火工艺

1.3 性能检测及组织观察

性能检测采用金属摆锤冲击试验机452D-2测量试验钢的冲击功，冲击样品规格采用无缺口设计，尺寸为7 mm×10 mm×55 mm，每个试样取3支，所得的冲击功取平均值；采用洛氏硬度计HR-150A测量试验钢的硬度，每个试样取5点，第1点不计，后4点取平均值。

组织观察采用倒置三目金相显微镜4XCJX拍摄金相图片，从冲击样中切取10 mm长并镶嵌作为金相试样，样品分别采用 500、800、1 000、1 200、1 500目的砂纸粗磨，抛光后利用4%的硝酸酒精溶液腐蚀。扫描电镜拍摄试验采用设备VEGA3，加速电压10.0 kV，样品为金相试样。

2 试验结果与分析

2.1 JmatPro析出相预测

JmatPro预测的试验钢回火10 h后析出相的质量百分比，如表2所示，在560℃的回火温度下，二者析出相的主要差别在M2C和M7C3两种类型碳化物，其中W-DIEVAR钢的M2C相减少，M7C3相增多；600℃回火后，W-DIEVAR对比DIEVAR钢出现M2C和M7C3两种新的析出相，同时MC和M23C6相减少。

表2 JmatPro预测试验钢的析出相质量百分比

2.2 硬度和冲击功

表3所示为试验钢的硬度和冲击功，在560℃的回火温度下，W-DIEVAR钢的硬度比DIEVAR钢低1.2 HRC，但600℃的回火温度下，W-DIEVAR钢的硬度提升明显，较DIEVAR钢高2.6 HRC。温度从560℃提升到600℃后DIEVAR钢的硬度衰减11.5%，而W-DIEVAR钢下跌4.6%；2个试验钢的冲击功在560℃回火温度下均表现优异，W-DIEVAR钢的冲击功比DIEVAR钢高19 J，600℃回火后均出现较大衰减，DIEVAR下降20.7%，W-DIEVAR下降21.8%，两者下降率接近，但W-DIEVAR比DIEVAR钢高11 J。

表3 洛氏硬度和冲击功

2.3 回火稳定性

图2所示为试验钢在600℃下的硬度随回火时间的变化曲线，由图2可得，DIEVAR钢在前10 h内的硬度下降较快，10 h内下降了12.6%，40 h后平均硬度为37.75 HRC；而W-DIEVAR钢的回火稳定性较好，前10 h下降了5.4%，对比DIEVAR钢提升了3.5 HRC，40 h回火后的平均硬度为41 HRC，总体相比DIEVAR钢的硬度最高提升了4 HRC。

图2 试验钢在600℃的回火稳定性

2.4 金相显微组织

图3（a）、（b）是DIEVAR钢分别在560、600 ℃回火的金相组织，从组织来看，不同的回火温度组织的差异较明显，DIEVAR钢在560℃和600℃回火后的金相组织均为板条马氏体基体，两者的晶界清晰度均较低，560℃回火后的组织均匀性较好，600℃回火后组织中存在晶界偏聚现象；W-DIAVAR钢金相显微组织的情况与DIEVAR钢类似，但600℃回火后的组织比DIEVAR钢要好，组织偏析程度相对低，晶粒尺寸也较小，如图 3（c）、（d）所示。

图3 试验钢的金相组织

2.5 SEM显微组织

试验钢的SEM组织如图4所示，根据扫描电镜的结果可以看出，不同回火温度对试验钢析出相的影响较大，如图4箭头指示，560℃的回火温度，DIEVAR钢中能观察到细小的杆状析出相，而W-DIEVAR钢中有小颗粒析出相；在经过600℃回火后，2种试验钢中的颗粒析出相长大，且马氏体组织均有不同程度的回复现象，相比之下，W-DIEVAR钢的析出相粗化、马氏体组织的回复程度都更低，且有较多细小的颗粒析出。

图4 试验钢的SEM组织

表4所示为图4中1、2两点的EDS分析结果，根据能谱结果可知，DIEVAR钢中的颗粒小球是富Cr型碳化物，Cr原子比超过15%，Mo占比也超过12%；W-DIEVAR钢中的颗粒析出相也是富Cr型碳化物，原子占比超过16%，其次为V，占比接近10%，同时，能看到W参与了碳化物的析出，对比DIEVAR钢，W-DIEVAR钢中颗粒析出相的Mo含量大量降低，但V增多。

表4 颗粒析出相元素的EDS分析结果 原子分数

3 分析讨论

试验钢在600℃回火后，性能改变明显，硬度、回火稳定性和冲击功均有较大的提升，从组织来看，低温回火的组织均匀性佳，成分偏析程度较低，而偏析现象在钢中应尽量消除，以免偏析引起成分不均造成性能下降[16]；W添加至DIEVAR钢中后，JmatPro析出相计算结果中表明形成了新的碳化物M2C和M7C3，使得游离态C减少，对于C的偏聚现象能起到一定缓解作用，因此，W-DIEVAR钢中的偏析程度低；600℃回火后W-DIEVAR钢的晶粒尺寸及马氏体形态都相对小，这与W引起的奥氏体相区缩小及超细析出作用有关[16,17]，由于相区缩小，在钢的奥氏体状态下限制了珠光体和铁素体的转变且有更高的合金化元素含量，在冷却过程中，奥氏体转变的马氏体更细小，W能细化晶粒并产生固溶强化效应进而提高钢的力学性能[16]，由此提升了试验钢的硬度和冲击性能。

析出相类型与钢材性能有着紧密的联系，一般从形貌看，杆状析出相主要是M2C或MC[18]，而小球状碳化物主要是M23C6或M7C3[19]。试验中DIEVAR钢出现的析出相，根据EDS能谱结果证明，调质处理后DIEVAR钢的析出相主要为富Cr型碳化物，JmatPro的计算结果表明DIEVAR钢中的碳化物为(Fe,Cr)23C6、Mo(V)C；W-DIEVAR钢中有M23C6和M7C3两种富Cr型碳化物，但总量较少，且尺寸较小，表明W能抑制富Cr型碳化物的析出和长大，EDS能谱结果中，W的加入抑制了碳化物中Mo元素富集，但促进了V富集，Mo原子半径要大于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型碳化物是晶核在铁素体基体上直接形成，其形成方式为离位析出，这种方式形成的碳化物细小弥散，对钢的强度、硬度提升明显[16,20]，M2C型碳化物的熔点、硬度较高且很稳定[16]。根据计算，W-DIEVAR钢中还出现M2C型碳化物，因此其在600℃回火后的硬度有提升。根据图3所示的结果，W-DIEVAR钢的纳米级析出相较多，产生了对位错的钉扎作用，而DIEVAR钢碳化物析出较多，且经600℃回火测试后粗大严重，说明W的添加会促进DIEVAR钢中析出细小碳化物且强化马氏体。

4 结束语

经研究表明，质量分数为1.0%含量的W对DIEVAR钢组织的改善和性能的提升均有积极作用，主要体现在以下2个方面。

（1）性能和组织方面。560℃回火后钢的性能和微观组织形貌变化较大，添加W后试验钢的硬度下降1.2 HRC但冲击功上升19 J，600℃回火后硬度提升2.6 HRC，冲击功提升11 J，并且经长时间回火后，W-DIEVAR表现了优越的回火稳定性。

（2）微观析出方面。添加W后，马氏体组织和晶粒大小都有不同程度的细化，晶界偏聚得到缓解，抑制了DIEVAR钢碳化物的析出和长大。钢中出现M2C和M7C3两种新的碳化物类型，且尺寸在纳米级（20-200 nm），有效提升了DIEVAR钢的性能。