热处理工艺对Cr12模具钢组织与性能的影响

廖德勇，贾宏斌

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

近年来，由于原材料价格的上涨，高合金比的模具钢很难让用户接受，因此市场对Cr12系列模具钢的需求呈现迅速的上涨趋势，仅2019年，国产Cr12系列模具钢的用量就增长了40%，由此可见提高现有钢种的性能就显得比以往任何时候都重要［1］。为了使Cr12系列模具钢应用更加广泛，前人对Cr12系列模具钢进行了大量的强韧化研究，但目前仍缺乏系统的理论体系［2-3］。强韧化调质工艺不完全，应用受到很大限制，尚不能满足现代工业发展的要求。因此，还需对Cr12系列模具钢进行更深一步的研究，提高Cr12系列模具钢的各项性能，使其发挥更大的作用。因此，本文重点对退火工艺、回火工艺对Cr12模具钢组织与性能的影响进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选取Cr12钢为试验材料，采用EF+LF+VD工艺冶炼，Cr12钢的化学成分如表1所示。浇铸成Φ50 mm圆柱试验用钢，在直径的1/4处切取纵向金相试样（15 mm×20 mm），取样部位如图1所示，磨制后采用4%HNO3+酒精溶液进行腐蚀。

表1 Cr12钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Cr12 Steel（Mass Fraction） %

图1 取样部位Fig.1 Sampling Location

1.2 试验方法

1.2.1 退火工艺试验

将Cr12钢切割成10 mm×10 mm×20 mm的试样，以两种退火工艺对样品进行热处理，Cr12钢退火工艺曲线如图2所示。图2（a）为常规退火工艺，图2（b）为均匀化退火工艺，将样品在不同温度下保温10 min，然后迅速将其油淬，降温至400℃，再快速转入小型回火炉中，回火温度为730℃，在不同的保温时间下保温，再进行自然冷却。对比两种退火工艺对硬度和组织性能的影响［4-5］。

图2 两种Cr12钢退火工艺曲线Fig.2 Annealing Process Curves of Two Kinds of Cr12 Steels

1.2.2 回火工艺试验

选择Cr12钢为研究对象，在980℃、30 min油淬，然后分别在 150、200、250、300、350、400、450、500℃下回火120 min，测试钢的硬度，并得到回火温度对钢的硬度影响曲线。

2 实验结果及分析

2.1 退火温度对组织和性能的影响

采用常规退火工艺对Cr12钢进行热处理后，合金的布氏硬度为227 HB。在均匀化热处理工艺中，由于退火温度采用1 020℃时，合金的布氏硬度都要高于常规退火工艺处理后的硬度，不利于再加工，所以下文不再对退火温度为1 020℃工艺进行讨论。采用均匀化退火工艺对Cr12钢进行不同工艺热处理实验后，合金的布氏硬度结果如图3所示。由图3可知，随着退火温度的增加，合金布氏硬度呈先降后升变化，当退火温度为940℃时，硬度最低。其中，将试样加热到940℃，等温段控制在730℃、保温90 min后，合金的布氏硬度值可以降到200 HB以下，比常规退火工艺的硬度易于切割。

图3 退火温度对Cr12钢硬度的影响Fig.3 Effect of Annealing Temperature on Hardness of Cr12 Steel

Cr12钢采用常规退火工艺与在不同温度均匀化热处理工艺下降温至730℃保温60 min后得到的组织状态如图4所示。由图可以看出，随着退火温度的升高，碳化物的溶解量增加，并且在一开始的等温段时，颗粒碳化物随着温度的升高，析出变少。与此同时，碳化物不均度指标变好。当退火温度＞980℃时，此时大多数碳化物已经溶解，析出的粒状二次碳化物数量快速减少。奥氏体化温度越高，碳化物越少溶解，因为碳化物的溶解会加剧球化作用。Cr12模具钢采用快速预冷带有等温段的退火工艺，利用理论的结晶温度与实际结晶温度的差值，也就是增加温度的差值从而调整球化速率。所以，相应的碳化物颗粒球化率高，组织细小均匀，同时具有良好的硬度。所以，常规退火工艺可以被均匀化退火工艺取代。

图4 不同退火工艺下的组织状态Fig.4 Microstructures of Cr12 Steel by Different Annealing Processes

2.2 退火等温段保温时间对组织和性能的影响

采用730℃保温处理，不同的等温段保温时间对Cr12钢硬度的影响见图5。

图5 不同等温段保温时间对Cr12钢硬度的影响Fig.5 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Hardness of Cr12 Steel

由图5可知，采用730℃保温处理，随着保温时间的延长，硬度逐渐降低。如果等温段保温时间低于60 min，硬度急剧降低；在等温段保温时间>60 min，随着等温段保温时间的延长，硬度的递减趋势不明显。分别选取最低与最高的退火温度，经过不同温度退火并采用730℃保温处理，不同等温段保温时间对Cr12钢显微组织的作用规律如图6所示。由图6（a）、（c）可知，采用730 ℃保温处理30 min后析出的二次碳化物大多数呈现细点状分布，此时是逐点连接，颗粒尺寸较小，但硬度很高。随着等温段时间的延长，这些点状碳化物彼此分离。实际上，碳化物二次析出的实质过程是由点状到颗粒状演变的过程。随着等温段保温时间的延长，二次析出碳化物的形态产生了变化，尺寸变大并不断粗化，同时二次析出碳化物的析出速度加快，析出量提升。

图6 不同等温段保温时间对Cr12钢显微组织的影响Fig.6 Effect of Holding Time in Different Isothermal Sections on Microstructures of Cr12 Steel

保证奥氏体中残留大部分的未溶碳化物质点是模具钢球化退火工艺最主要的目标，在A1点以下的等温段保温处理过程中，这些未溶碳化物质点周围的碳原子将以碳化物质点为核心，通过扩散不断发生析出、聚集与球化。并且，得到的低碳区域可以促进铁素体形成和生长。常规退火在高温转变阶段，原子扩散能力强，但理论结晶温度与实际结晶温度的差值（过冷度）较小，由于新旧阶段之间的自由能差异较小，因此相变的驱动力较小，从而导致相变速率慢［6］。在该阶段中，快速预冷有利于提高过冷度，并提升高温过渡阶段的相变驱动力。Cr12钢的等温转变曲线［7］如图7所示。

图7 Cr12钢（2.02%碳）奥氏体等温转变曲线Fig.7 Austenite Isothermal Transformation Curves of Cr12 Steel（2.02%Carbon）

由图7可知，Cr12钢快速冷却至400℃左右会产生不稳定的过冷奥氏体。因为过冷度大，所以过冷奥氏体的稳定性差，蓄积大量的能量，此时快速加热到730℃保温，使得蓄积的能量突然释放。由于高的转变温度和快速的原子扩散，完成了面心立方晶格向体心立方晶格的转变；奥氏体组织向铁素体组织的转变；同时，还有未溶于基体的碳化物球化和聚集的过程转变［8］。所以，通过快速预冷工艺可以提高过冷度，进而加速Cr12钢组织的球化反应，最终在常规工艺基础上可以将热处理工艺时长减少1/8至1/10。实验表明，在860～940℃的退火温度下，将等温段温度控制在730℃，可以获得分布均匀度较高，形态较小的碳化物和合理的球化组织，且该组织硬度适宜。

2.3 回火温度对硬度的影响

图8 显示了不同回火温度对Cr12钢的硬度影响，该曲线与一般的回火定律基本相同。在200℃附近回火热处理时，可以获得高硬度，此时，不能改善抗压强度，所以适宜在硬度需求高且承受压力不高的情况使用；在500℃附近回火热处理时，可以获得较低硬度，由于此时不能改善其韧性，所以适宜在较低冲击环境进行使用；在400℃附近进行回火热处理时，材料检验的性能较为合适，可以保证硬度、抗压强度以及符合常规使用的韧性。综上所述，结合Cr12系列模具钢的特性，需要根据模具钢的用途制定热处理工艺，以满足更多客户需求。

图8 回火温度对硬度的影响Fig.8 Effect of Tempering Temperature on Hardness of Cr12 Steel

3 结论

（1）常规退火工艺合金的布氏硬度为227 HB，采用均匀化退火工艺，将试样加热到940℃，将等温段控制在730℃后，合金的布氏硬度可降到200 HB以下，更易于切割。

（2）通过回火沉淀的碳化物是非常细小而且分散相对均匀的颗粒，较低温度的回火处理可以阻碍贝氏体的转变，保证其稳定性。

（3）结合Cr12系列模具钢的特性，需要针对模具钢的使用用途来制定热处理工艺，在400℃附近进行回火热处理时，材料的性能较为合适，不仅可以保证硬度和抗压强度，还有符合常规使用的韧性。