球化组织对AISI 420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响

工程科学学报，第41卷，第9期：1142-1151,2019年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.9:1142-1151,September 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.005;http://journals.ustb.edu.cn 球化组织对AISI420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 吕穿江12)，张乐12)，陈旋12)，吴晓春12) 1)上海大学材料科学与工程学院，上海2004442)上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海200444 区通信作者，E-mail:wuxiaochun@t.shu.cdu.cn 摘要对比研究了两种A420型钢球化组织的平均粒径和圆整度，并对两种钢材进行了不同淬火和回火处理工艺.然后 通过硬度测试、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)来比较球化组织对淬回火特性的影响，同时借助动电位极化 曲线测试和质量分数3.5%NCl溶液浸泡腐蚀来分析耐蚀性能的差异.结果表明：细小弥散的球化组织在淬火时可以提高 AS420型钢的C元素的固溶量，提高了其淬硬性，但是会提高残留奥氏体的含量：尺寸更小的退火态碳化物可以使ASI420 型钢的基体在奥氏体化过程中溶解更多的C元素，从而使得其在淬回火后基体Cr含量更高，减小贫Cr区产生几率，最终显 示出更好的点蚀抗力：更少的大尺寸的未溶碳化物在腐蚀环境中降低了点蚀形核几率，提高了ASl420型钢的耐蚀性能.所 以在250℃回火时，AISI420型钢耐蚀性好且硬度高，在480℃回火后，耐蚀性最差. 关键词AISI420型钢：球化组织：淬回火特性：Cr元索：耐蚀性能 分类号TG156.71 Effect of spheroidized microstructure on quenching and tempering characteristics and corrosion resistance of AISI 420-type steel LU Chuan-jiang,ZHANG Le2),CHEN Xuan'2),WU Xiao-chun) 1)School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China 2)State Key Laboratory of Advanced Special Steel,Shanghai University,Shanghai 200444,China Corresponding author,E-mail:wuxiaochun@t.shu.edu.cn ABSTRACT Owing to the increasing surface quality of plastic products,such as plastic medical supplies and resin lenses,the de- mands of plastic molds have increased.Corrosion and wear are the most important failure behaviors of plastic molds;therefore,best- quality plastic mold materials should feature high hardness and corrosion resistance.Super martensitic stainless steels show the optimum combination of strength,hardness,and wear and corrosion resistance after appropriate heat treatment.Therefore,they are the most ma- instream materials in the field of high-grade die steel,especially AISI 420.Herein,AISI 420 steels with different average particle sizes and roundness of spheroidized microstructures were treated by different quenching and tempering procedures.Hardness test,scanning electron microscope,and X-ray powder diffraction were then used to research the impact of the spheroidized microstructure on the quenching and tempering characteristics.Additionally,the differences in corrosion resistance were investigated using a potentiodynamic polarization test and soaking corrosion in 3.5%NaCl solution.The results show that small and diffuse spheroidized microstructures in- crease the solution degree of the C element in AISI 420 steel during quenching,improving the hardening capacity,but increasing the amount of retained austenite simultaneously.Smaller-sized Cr-rich carbides enable the AISI 420 steel to dissolve more Cr element in the austenitizing procedure;therefore,the Cr content of the matrix is higher after quenching and tempering,which reduces the probability of the chromium-depleted area and shows better pitting resistance.Fewer large-sized,undissolved carbides reduce the probability of pitting nucleation in a corrosive environment and improve the corrosion resistance of AlSI 420 steel.After tempering at 250 C,AlSI 收稿日期：2018-07-28 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300400,2016YFB0300404)

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期:1142鄄鄄1151,2019 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 9: 1142鄄鄄1151, September 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 09. 005; http: / / journals. ustb. edu. cn 球化组织对 AISI 420 型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 吕穿江1,2) , 张 乐1,2) , 陈 旋1,2) , 吴晓春1,2)苣 1)上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444 2) 上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室, 上海 200444 苣通信作者, E鄄mail: wuxiaochun@ t. shu. edu. cn 摘 要 对比研究了两种 AISI 420 型钢球化组织的平均粒径和圆整度,并对两种钢材进行了不同淬火和回火处理工艺. 然后 通过硬度测试、扫描电子显微镜(SEM)和 X 射线衍射仪(XRD) 来比较球化组织对淬回火特性的影响,同时借助动电位极化 曲线测试和质量分数 3郾 5% NaCl 溶液浸泡腐蚀来分析耐蚀性能的差异. 结果表明:细小弥散的球化组织在淬火时可以提高 AISI 420 型钢的 C 元素的固溶量,提高了其淬硬性,但是会提高残留奥氏体的含量;尺寸更小的退火态碳化物可以使 AISI 420 型钢的基体在奥氏体化过程中溶解更多的 Cr 元素,从而使得其在淬回火后基体 Cr 含量更高,减小贫 Cr 区产生几率,最终显 示出更好的点蚀抗力;更少的大尺寸的未溶碳化物在腐蚀环境中降低了点蚀形核几率,提高了 AISI 420 型钢的耐蚀性能. 所 以在 250 益回火时,AISI 420 型钢耐蚀性好且硬度高,在 480 益回火后,耐蚀性最差. 关键词 AISI 420 型钢; 球化组织; 淬回火特性; Cr 元素; 耐蚀性能 分类号 TG156郾 71 收稿日期: 2018鄄鄄07鄄鄄28 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300400,2016YFB0300404) Effect of spheroidized microstructure on quenching and tempering characteristics and corrosion resistance of AISI 420鄄type steel L譈 Chuan鄄jiang 1,2) , ZHANG Le 1,2) , CHEN Xuan 1,2) , WU Xiao鄄chun 1,2) 苣 1)School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 2)State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai University, Shanghai 200444, China 苣Corresponding author, E鄄mail: wuxiaochun@ t. shu. edu. cn ABSTRACT Owing to the increasing surface quality of plastic products, such as plastic medical supplies and resin lenses, the de鄄 mands of plastic molds have increased. Corrosion and wear are the most important failure behaviors of plastic molds; therefore, best鄄 quality plastic mold materials should feature high hardness and corrosion resistance. Super martensitic stainless steels show the optimum combination of strength, hardness, and wear and corrosion resistance after appropriate heat treatment. Therefore, they are the most ma鄄 instream materials in the field of high鄄grade die steel, especially AISI 420. Herein, AISI 420 steels with different average particle sizes and roundness of spheroidized microstructures were treated by different quenching and tempering procedures. Hardness test, scanning electron microscope, and X鄄ray powder diffraction were then used to research the impact of the spheroidized microstructure on the quenching and tempering characteristics. Additionally, the differences in corrosion resistance were investigated using a potentiodynamic polarization test and soaking corrosion in 3郾 5% NaCl solution. The results show that small and diffuse spheroidized microstructures in鄄 crease the solution degree of the C element in AISI 420 steel during quenching, improving the hardening capacity, but increasing the amount of retained austenite simultaneously. Smaller鄄sized Cr鄄rich carbides enable the AISI 420 steel to dissolve more Cr element in the austenitizing procedure; therefore, the Cr content of the matrix is higher after quenching and tempering, which reduces the probability of the chromium鄄depleted area and shows better pitting resistance. Fewer large鄄sized, undissolved carbides reduce the probability of pitting nucleation in a corrosive environment and improve the corrosion resistance of AISI 420 steel. After tempering at 250 益 , AISI

吕穿江等：球化组织对ASI420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 ·1143· 420 shows excellent corrosion resistance and higher hardness.While the steel exhibits the highest hardness,it also bring about the greatest damage to corrosion resistance when tempered at 480C. KEY WORDS AISI 420 steel;spheroidized microstructure;quenching and tempering characteristics;Cr element;corrosion resist- ance 随着高表面质量的塑胶制品需求量与日俱增， 国内研究人员也开发了高品质的AISI420型不锈 塑料成型工艺中所需的塑料模具需求量也急剧增 模具钢，如4Cl3V钢中分布均匀弥散的球化组织 长.在实际生产中，塑料模具最主要的失效形式为 在热处理后也显示出较优的组织结构和力学性 腐蚀与磨损山，尤其是高表面质量要求的塑胶制 能[s),CT136通过适当的预处理工艺得到分布更为 品，如塑胶化学仪器、树脂透镜等，对腐蚀与磨损所 均匀，细小弥散球化组织，最终表现出更好的耐腐蚀 造成的模具表面镜面度下降尤为敏感[2-] 性能[)， 目前高档塑料模具材料通常采用AISI420型 本文选用了两种不同球化组织的AISI420型 不锈钢，其出厂态为退火态，组织为球化组织.优异 钢进行退火态碳化物、热处理特性和耐蚀性能的对 的AISI420型钢有一胜百公司(ASSAB)的STAVAX 比研究来得出球化组织对AISI420型模具钢热处 ESR、大同的S-STAR-A和葛利兹钢厂的CRMHP 理特性和耐蚀性能的影响，以为此类的钢材退火组 VICTORY ESR等，这些钢材具有较好的淬硬性及淬 织的优选提供参考. 透性，优良的耐蚀性能以及极佳的抛光性能.但是 1实验材料及方法 高品质往往伴随着高昂的价格，进口钢材的价格往 往是国内同类钢种的2~3倍.所以国内相关科研 1.1实验材料 人员不断研究以提高国内AISI420型钢品质.有研 试验用不锈塑料模具钢分别为国产和瑞典经电 究指出，球化组织的粒径形态，分布均匀性等是衡量 渣重熔的AISI420型钢锻材，分别记为420-C和 此类钢材的重要指标，同时也为后续热处理奠定了 420-S.两者截面尺寸均为110mm×400mm,试验 组织基础，继而影响钢材热处理后的使用性能[4) 钢初始态都为退火态.其化学成分见表1. 表1试验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of tested steels 钢种 Mn Cr Mo Ni P Fe 420-C 0.39 0.99 0.57 13.39 0.12 0.25 0.30 0.0040 0.022 余量 420-S 0.35 0.90 0.49 13.36 0.13 0.21 0.30 0.0046 0.028 余量 1.2球状碳化物统计 洛氏硬度测试. 采用电火花线切割分别对退火态的420-C和 按照《YB/T5338一2006钢中残留奥氏体定量 420-S模块1/4处取12mm×12mm×12mm试样， 测定X射线衍射仪法》标准，利用3kWD/MAX型 再采用Zeiss Supra40型扫描电子显微镜(SEM)随 X射线衍射仪(XRD)对5个温度的淬火试样进行 机选取10个2000倍视场，最后使用Image--Pro Plus 残留奥氏体的测定.测试采用Cu-Ka射线对试样 6.0对照片进行着色处理并统计碳化物的粒径尺寸 进行连续式扫描，加速电压为40kV,扫描速度为1°， 分布及圆整度（同一碳化物的最长直径与最短直径 min-1,扫描角度范围55°~105of).通过JmatPro软 之比) 件估算出不同淬火温度的碳化物质量分数，再通过 1.3淬回火工艺及残留奥氏体测定 碳化物的密度[]和铁的密度计算出碳化物体积分 淬火与回火的试样尺寸为12mm×12mm×12 数，然后参照式(1)对衍射谱中的马氏体峰(200).、 mm,奥氏体化温度为1010、1030、1050、1070和1090 (211).(220).和奥氏体峰(200)，、(311)，的积分 ℃，保温30min,出炉预冷后油淬，用线切割切除表 强度进行计算得到的残留奥氏体量，然后每个淬火 面氧化皮和脱碳层后再进行洛氏硬度测试，载荷为 温度的残留奥氏体含量取平均值 150kg,每个试样测5个点取平均值.分别在180、 V,= 1-Ve (1) 210、250、300、400、420、440、460、480、500、550、600 IM(BRD): 1+G 和650℃回火2h×2次，冷却方式为空冷，同样进行

吕穿江等: 球化组织对 AISI 420 型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 420 shows excellent corrosion resistance and higher hardness. While the steel exhibits the highest hardness, it also bring about the greatest damage to corrosion resistance when tempered at 480 益 . KEY WORDS AISI 420 steel; spheroidized microstructure; quenching and tempering characteristics; Cr element; corrosion resist鄄 ance 随着高表面质量的塑胶制品需求量与日俱增, 塑料成型工艺中所需的塑料模具需求量也急剧增 长. 在实际生产中,塑料模具最主要的失效形式为 腐蚀与磨损[1] ,尤其是高表面质量要求的塑胶制 品,如塑胶化学仪器、树脂透镜等,对腐蚀与磨损所 造成的模具表面镜面度下降尤为敏感[2鄄鄄3] . 目前高档塑料模具材料通常采用 AISI 420 型 不锈钢,其出厂态为退火态,组织为球化组织. 优异 的 AISI 420 型钢有一胜百公司(ASSAB)的 STAVAX ESR、大同的 S鄄鄄 STAR鄄鄄 A 和葛利兹钢厂的 CRMHP VICTORY ESR 等,这些钢材具有较好的淬硬性及淬 透性,优良的耐蚀性能以及极佳的抛光性能. 但是 高品质往往伴随着高昂的价格,进口钢材的价格往 往是国内同类钢种的 2 ~ 3 倍. 所以国内相关科研 人员不断研究以提高国内 AISI 420 型钢品质. 有研 究指出,球化组织的粒径形态,分布均匀性等是衡量 此类钢材的重要指标,同时也为后续热处理奠定了 组织基础,继而影响钢材热处理后的使用性能[4] . 国内研究人员也开发了高品质的 AISI 420 型不锈 模具钢,如 4Cr13V 钢中分布均匀弥散的球化组织 在热处理后也显示出较优的组织结构和力学性 能[5] ,CT136 通过适当的预处理工艺得到分布更为 均匀,细小弥散球化组织,最终表现出更好的耐腐蚀 性能[6] . 本文选用了两种不同球化组织的 AISI 420 型 钢进行退火态碳化物、热处理特性和耐蚀性能的对 比研究来得出球化组织对 AISI 420 型模具钢热处 理特性和耐蚀性能的影响,以为此类的钢材退火组 织的优选提供参考. 1 实验材料及方法 1郾 1 实验材料 试验用不锈塑料模具钢分别为国产和瑞典经电 渣重熔的 AISI 420 型钢锻材,分别记为 420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S. 两者截面尺寸均为 110 mm 伊 400 mm,试验 钢初始态都为退火态. 其化学成分见表 1. 表 1 试验钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of tested steels % 钢种 C Si Mn Cr Mo Ni V S P Fe 420鄄鄄C 0郾 39 0郾 99 0郾 57 13郾 39 0郾 12 0郾 25 0郾 30 0郾 0040 0郾 022 余量 420鄄鄄 S 0郾 35 0郾 90 0郾 49 13郾 36 0郾 13 0郾 21 0郾 30 0郾 0046 0郾 028 余量 1郾 2 球状碳化物统计 采用电火花线切割分别对退火态的 420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S 模块 1 / 4 处取 12 mm 伊 12 mm 伊 12 mm 试样, 再采用 Zeiss Supra 40 型扫描电子显微镜( SEM)随 机选取 10 个 2000 倍视场,最后使用 Image鄄鄄Pro Plus 6郾 0 对照片进行着色处理并统计碳化物的粒径尺寸 分布及圆整度(同一碳化物的最长直径与最短直径 之比). 1郾 3 淬回火工艺及残留奥氏体测定 淬火与回火的试样尺寸为 12 mm 伊 12 mm 伊 12 mm,奥氏体化温度为 1010、1030、1050、1070 和 1090 益 ,保温 30 min,出炉预冷后油淬,用线切割切除表 面氧化皮和脱碳层后再进行洛氏硬度测试,载荷为 150 kg,每个试样测 5 个点取平均值. 分别在 180、 210、250、300、400、420、440、460、480、500、550、600 和 650 益回火 2 h 伊 2 次,冷却方式为空冷,同样进行 洛氏硬度测试. 按照《YB / T 5338 ― 2006 钢中残留奥氏体定量 测定 X 射线衍射仪法》标准,利用 3 kW D/ MAX 型 X 射线衍射仪(XRD) 对 5 个温度的淬火试样进行 残留奥氏体的测定. 测试采用 Cu鄄鄄 K琢 射线对试样 进行连续式扫描,加速电压为 40 kV,扫描速度为 1毅· min - 1 ,扫描角度范围 55毅 ~ 105毅 [7] . 通过 JmatPro 软 件估算出不同淬火温度的碳化物质量分数,再通过 碳化物的密度[8] 和铁的密度计算出碳化物体积分 数,然后参照式(1)对衍射谱中的马氏体峰(200) 琢 、 (211) 琢 、(220) 琢和奥氏体峰(200) 酌 、(311) 酌的积分 强度进行计算得到的残留奥氏体量,然后每个淬火 温度的残留奥氏体含量取平均值. V酌 = 1 - VC 1 + G IM(hkl) i IA(hkl) j (1) ·1143·

·1144. 工程科学学报，第41卷，第9期 式中：V,为钢中奥氏体相体积分数：V。为钢中碳化 腐蚀形貌观察 物总量体积分数；I(,为钢中马氏体(hl),晶面衍 V=-m1 射线的累积强度；lA,为钢中奥氏体(hkl),晶面衍 S.t (2) 射线的累积强度：G为奥氏体(hkl),晶面与马氏体 式中：V为浸泡腐蚀速率；mo,m1为试样腐蚀前质 (hkL),晶面所对应的强度有关因子之比 量，试样腐蚀后质量：S为试样与腐蚀液接触面积；t 1.4耐蚀性能测试 为浸泡腐蚀时间. 电化学测试试样采用环氧树脂封样，试样测试 2实验结果与分析 面积为1cm2,扫描速度为0.5mV·s-1,测试范围为 基于开路电位±400mV,420-C和420-S的试样经 2.1球状碳化物 1030℃淬火以及250、460和650℃回火2次，每次2 图1(a)和(c)分别为退火态420-C和420-S h,表面经过砂纸打磨后抛光.采用Reference600电 的球化组织照片，图中白色颗粒为球状碳化物，黑灰 化学工作站进行测试，测试溶液选择质量分数 色部分为铁素体基体：图1(b)和(d)是采用Image- 3.5%NaCl溶液，采用3电极体系，试样为工作电 Pro Plus处理后的图片.可以看出同等放大倍数下， 极，碳棒为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电 420-C的球状碳化物比420-S的更为弥散细小.同 极，试验温度为25℃. 时根据图2分析得出，420-C的碳化物的数量较多， 浸泡实验的试样为420-C和420-S经1030℃ 主要集中在0.8μm以下，而420-S的碳化物数量较 淬火以及250、460和650℃回火2次，试样的尺寸 少，超过50%的碳化物尺寸超过1.0m,并且有较 为20mm×20mm×3mm,用400、800和1000目的 多的大尺寸碳化物(2.0~5.0m).图3显示出 砂纸对浸泡前的试样6个面进行打磨，并对两个大 面进行抛光.测试溶液选择质量分数3.5%NaCl溶 420-S有52%的碳化物的长短径之比在2.0以上， 液，采用全浸法对试样进行48h的浸泡测试，采用 而420-C只有38%，这表明420-C的碳化物形状多 分析天平称量前后质量（腐蚀结束后用除锈剂对腐 为近球形，而420-S的碳化物形状多为椭球形或短 蚀产物进行清除)，取3次重复实验结果平均值根 杆状.这表明420-C的球化程度较高，圆整度较高， 据式(2)来计算其腐蚀速率，并通过扫描电镜进行 即更多的碳化物接近球形，球化组织更优 2 .a ” m 图1球化组织原图和处理图.(a.b)420-C:(c,d)420-S Fig.1 Original and processed image of spheroidized structure:(a,b)420-C;(c,d)420-S

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 式中:V酌 为钢中奥氏体相体积分数;VC 为钢中碳化 物总量体积分数;IM(hkl) i为钢中马氏体(hkl)i晶面衍 射线的累积强度;IA(hkl) i为钢中奥氏体( hkl)j晶面衍 射线的累积强度;G 为奥氏体( hkl)j晶面与马氏体 (hkl)i晶面所对应的强度有关因子之比. 1郾 4 耐蚀性能测试 电化学测试试样采用环氧树脂封样,试样测试 面积为 1 cm 2 ,扫描速度为 0郾 5 mV·s - 1 ,测试范围为 基于开路电位 依 400 mV,420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S 的试样经 1030 益淬火以及 250、460 和 650 益回火 2 次,每次 2 h,表面经过砂纸打磨后抛光. 采用 Reference 600 电 化学工作站进行测试, 测试溶液选择质量分数 3郾 5% NaCl 溶液,采用 3 电极体系,试样为工作电 极,碳棒为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电 极,试验温度为 25 益 . 图 1 球化组织原图和处理图. (a,b) 420鄄鄄C; (c,d) 420鄄鄄 S Fig. 1 Original and processed image of spheroidized structure: (a,b) 420鄄鄄C; (c,d) 420鄄鄄 S 浸泡实验的试样为 420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S 经 1030 益 淬火以及 250、460 和 650 益 回火 2 次,试样的尺寸 为 20 mm 伊 20 mm 伊 3 mm,用 400、800 和 1000 目的 砂纸对浸泡前的试样 6 个面进行打磨,并对两个大 面进行抛光. 测试溶液选择质量分数 3郾 5% NaCl 溶 液,采用全浸法对试样进行 48 h 的浸泡测试,采用 分析天平称量前后质量(腐蚀结束后用除锈剂对腐 蚀产物进行清除),取 3 次重复实验结果平均值根 据式(2)来计算其腐蚀速率,并通过扫描电镜进行 腐蚀形貌观察. V = m0 - m1 S·t (2) 式中:V 为浸泡腐蚀速率;m0 ,m1 为试样腐蚀前质 量,试样腐蚀后质量;S 为试样与腐蚀液接触面积;t 为浸泡腐蚀时间. 2 实验结果与分析 2郾 1 球状碳化物 图 1(a)和( c) 分别为退火态 420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S 的球化组织照片,图中白色颗粒为球状碳化物,黑灰 色部分为铁素体基体;图 1(b)和(d)是采用 Image鄄鄄 Pro Plus 处理后的图片. 可以看出同等放大倍数下, 420鄄鄄C 的球状碳化物比 420鄄鄄 S 的更为弥散细小. 同 时根据图 2 分析得出,420鄄鄄C 的碳化物的数量较多, 主要集中在 0郾 8 滋m 以下,而 420鄄鄄S 的碳化物数量较 少,超过 50% 的碳化物尺寸超过 1郾 0 滋m,并且有较 多的大尺寸碳化物(2郾 0 ~ 5郾 0 滋m). 图 3 显示出 420鄄鄄 S 有 52% 的碳化物的长短径之比在 2郾 0 以上, 而 420鄄鄄C 只有 38% ,这表明 420鄄鄄C 的碳化物形状多 为近球形,而 420鄄鄄 S 的碳化物形状多为椭球形或短 杆状. 这表明 420鄄鄄C 的球化程度较高,圆整度较高, 即更多的碳化物接近球形,球化组织更优. ·1144·

吕穿江等：球化组织对ASI420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 .1145. 一般来说，均匀弥散的球化组织对工模具材料 强化的增量而导致硬度开始稍微下降.至1090℃ 热处理后的强韧性及使用性能都有积极的作用]， 时，两种钢都比1070℃时HRC下降1.0左右 因为细小弥散的碳化物在奥氏体化过程中更容易溶 在同样的淬火工艺下，420-C的未溶碳化物的 入奥氏体，增加淬硬性，并且基体中更多的合金元素 量明显少于420-S,说明420-C的细小弥散的球状 Cr也会增加其耐蚀性能，减少贫C区的产生.由此 碳化物分解所需热力学驱动力更小，更容易在奥氏 初步推断420-C的热处理性能和使用性能将优于 体化过程中溶解，使得奥氏体中固溶更多的C元 420-S. 素，提高马氏体的过饱和度，在淬火后表现为更高的 180 淬火硬度10]，在1010~1070℃淬火后，420-C的硬 160☑ ☑420-C 420-s 度一直比420-S高1.0~2.5. 名 通过对420-C和420-S不同温度淬火的试样 120 进行X射线衍射仪扫描，获得如图6所示的衍射 100 谱.如表2所示，两种钢都随着淬火温度的升高，其 残留奥氏体的量也都同样增加.这是由于随着奥氏 0 体化温度的升高，基体中更多的合金元素的溶入导 20 致过冷奥氏体的稳定性也同步升高，所以淬火后的 残留奥氏体的量也更多山.在1010℃时，两者残留 0.25-0 00.25 15 40 0.50 5.00 .75 3. 400 奥氏体量相近，这是因为在低温时，碳化物分解的驱 平均粒径μm 动力较小，两种钢的碳化物溶入量都较少并且相近， 图2420-C和420-S的退火态碳化物平均粒径分布 所以残留奥氏体量相近，为4.6%~5.3%.随着淬 Fig.2 Average particle size distribution of annealed carbides of 420- 火温度的升高，如图4所示，420-C比420-S多出的 C and 420-S 碳化物溶解量越来越大，更多的C、Cr等元素的溶 2.2淬回火特性 解使前者的C曲线右移程度、Ms和Mf下降程度都 2.2.1淬火组织 比后者的更大，所以420-C的过冷奥氏体也比420- 420-C和420-S淬火后的组织都为板条马氏体 S稳定，最终导致前者的残留奥氏体增量较为明显. 和未溶的富Cr碳化物，其中黑色组织为马氏体基 但是在奥氏体化温度低于1070℃时，碳化物溶入产 体，未溶的富C碳化物为白色球状组织，如图4所 生的固溶强化增量大于残留奥氏体增加的引起的强 示.当奥氏体化温度升高时，两种钢的未溶碳化物 度下降；在高于1070℃时，残留奥氏体的增加和品 量都相对减少，意味着合金元素的溶入量都不断增 粒长大引起的硬度下降已经占主导，抵消了固溶强 加，所以其固溶强化效果增强，淬火硬度同步提高 化的硬度贡献值. (如图5).在1070℃时，如图4(e)所示，富Cr碳化 虽然420-C的淬硬性要高于420-S,但过多的 物虽然仍未完全溶解，但是如图4(b)和(d)所示， 残留奥氏体量会影响钢材的韧性和尺寸稳定性.因 品粒已经开始长大，两种钢的硬度都达到峰值.这 此细小弥散的球化组织保证了足够的淬透性，但是 是因为此时固溶强化的提升被晶粒长大所抵消，而 会增加残留奥氏体的含量，所以需要选择较低的温 在高于1070℃淬火时，硬度由于品粒粗大抵消固溶 度进行淬火，建议1030℃左右为宜 a 3.349%3.75% 圆整度 150298%3 4%0.549% 圆整度 4.50 25.80%%1.0-1.5 2.23% %1.0-1.5 6.42% 1.52.0 4.90% 42.13%☑1.5-2.0 ☑2.0-2.5 2.02.5 2.53.0 7.00% 2.53.0 3.0-3.5 3.5-4.0 3.0-3.5 25.09% 4.04.5 %3.54.0 10.50% 4.5-5.0 4.0-…4.5 8>5.0 4.5-5.0 >5.0 21.88% 16.81% 19.48% 图3退火态碳化物的圆整度分布.(a)420-C:(b)420-S Fig.3 Roundness distribution of the annealed carbide:(a)420-C:(b)420-S

吕穿江等: 球化组织对 AISI 420 型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 一般来说,均匀弥散的球化组织对工模具材料 热处理后的强韧性及使用性能都有积极的作用[9] , 因为细小弥散的碳化物在奥氏体化过程中更容易溶 入奥氏体,增加淬硬性,并且基体中更多的合金元素 Cr 也会增加其耐蚀性能,减少贫 Cr 区的产生. 由此 初步推断 420鄄鄄 C 的热处理性能和使用性能将优于 420鄄鄄 S. 图 2 420鄄鄄C 和 420鄄鄄 S 的退火态碳化物平均粒径分布 Fig. 2 Average particle size distribution of annealed carbides of 420鄄鄄 C and 420鄄鄄 S 图 3 退火态碳化物的圆整度分布. (a) 420鄄鄄C; (b) 420鄄鄄 S Fig. 3 Roundness distribution of the annealed carbide: (a) 420鄄鄄C; (b) 420鄄鄄 S 2郾 2 淬回火特性 2郾 2郾 1 淬火组织 420鄄鄄C 和 420鄄鄄S 淬火后的组织都为板条马氏体 和未溶的富 Cr 碳化物,其中黑色组织为马氏体基 体,未溶的富 Cr 碳化物为白色球状组织,如图 4 所 示. 当奥氏体化温度升高时,两种钢的未溶碳化物 量都相对减少,意味着合金元素的溶入量都不断增 加,所以其固溶强化效果增强,淬火硬度同步提高 (如图 5). 在 1070 益时,如图 4(e)所示,富 Cr 碳化 物虽然仍未完全溶解,但是如图 4( b)和( d) 所示, 晶粒已经开始长大,两种钢的硬度都达到峰值. 这 是因为此时固溶强化的提升被晶粒长大所抵消,而 在高于 1070 益淬火时,硬度由于晶粒粗大抵消固溶 强化的增量而导致硬度开始稍微下降. 至 1090 益 时,两种钢都比 1070 益时 HRC 下降 1郾 0 左右. 在同样的淬火工艺下,420鄄鄄 C 的未溶碳化物的 量明显少于 420鄄鄄 S,说明 420鄄鄄 C 的细小弥散的球状 碳化物分解所需热力学驱动力更小,更容易在奥氏 体化过程中溶解,使得奥氏体中固溶更多的 C 元 素,提高马氏体的过饱和度,在淬火后表现为更高的 淬火硬度[10] ,在 1010 ~ 1070 益 淬火后,420鄄鄄 C 的硬 度一直比 420鄄鄄 S 高 1郾 0 ~ 2郾 5. 通过对 420鄄鄄 C 和 420鄄鄄 S 不同温度淬火的试样 进行 X 射线衍射仪扫描,获得如图 6 所示的衍射 谱. 如表 2 所示,两种钢都随着淬火温度的升高,其 残留奥氏体的量也都同样增加. 这是由于随着奥氏 体化温度的升高,基体中更多的合金元素的溶入导 致过冷奥氏体的稳定性也同步升高,所以淬火后的 残留奥氏体的量也更多[11] . 在 1010 益时,两者残留 奥氏体量相近,这是因为在低温时,碳化物分解的驱 动力较小,两种钢的碳化物溶入量都较少并且相近, 所以残留奥氏体量相近,为 4郾 6% ~ 5郾 3% . 随着淬 火温度的升高,如图 4 所示,420鄄鄄C 比 420鄄鄄S 多出的 碳化物溶解量越来越大,更多的 C、Cr 等元素的溶 解使前者的 C 曲线右移程度、Ms 和 Mf 下降程度都 比后者的更大,所以 420鄄鄄C 的过冷奥氏体也比 420鄄鄄 S 稳定,最终导致前者的残留奥氏体增量较为明显. 但是在奥氏体化温度低于 1070 益 时,碳化物溶入产 生的固溶强化增量大于残留奥氏体增加的引起的强 度下降;在高于 1070 益 时,残留奥氏体的增加和晶 粒长大引起的硬度下降已经占主导,抵消了固溶强 化的硬度贡献值. 虽然 420鄄鄄C 的淬硬性要高于 420鄄鄄 S,但过多的 残留奥氏体量会影响钢材的韧性和尺寸稳定性. 因 此细小弥散的球化组织保证了足够的淬透性,但是 会增加残留奥氏体的含量,所以需要选择较低的温 度进行淬火,建议 1030 益左右为宜. ·1145·

.1146. 工程科学学报，第41卷，第9期 a (b) 10 gm 10μm 10μm 10μm (e 2.5m CrFe d 10 能量eV 图4不同奥氏体化温度淬火组织及能谱.(a)420-C,1030℃：(b)420-C,1070℃：(e)420-S,1030℃：(d)420-S,1070℃：(e)420-C, 1070℃未溶碳化物能谱 Fig.4 Quenched microstructure and energy spectrum of different austenitizing temperatures:(a)420-C,1030C;(b)420-C,1070C;(e)420- -S,1030℃：(d)420-S,1070℃：(e）EDS of undissolved carbide for420-Cat1070℃ 表2淬火态试样残留奥氏体体积分数测定结果 Table 2 Retained austenite content of samples after quenching -■-CT136 -7-S136 58 钢种 1010℃ 1030℃1050℃1070℃ 1090℃ 420-S 4.6 5.9 7.5 9.6 11.3 420-C 5.3 13.7 22.820.2 21.3 2.2.2回火组织 52 为了保证足够的淬硬性、淬透性和较少的残留 奥氏体含量，对420-C和420-S采用1030℃进行油 1000 102010401060 10801100 奥氏体化温度℃ 淬，再通过不同的回火温度进行回火，所得到的硬度 图5硬度随淬火温度的变化曲线 随回火温度变化曲线如图7所示. Fig.5 Curves of hardness ts quenching at different temperatures 当温度在250~300℃时，硬度下降至一个最低

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 图 4 不同奥氏体化温度淬火组织及能谱. (a) 420鄄鄄C,1030 益 ; (b) 420鄄鄄C,1070 益 ; (c) 420鄄鄄S,1030 益 ; (d) 420鄄鄄S,1070 益 ; (e) 420鄄鄄C, 1070 益未溶碳化物能谱 Fig. 4 Quenched microstructure and energy spectrum of different austenitizing temperatures: (a) 420鄄鄄C, 1030 益 ; (b) 420鄄鄄C, 1070 益 ; (c) 420鄄 鄄 S, 1030 益 ; (d) 420鄄鄄 S, 1070 益 ; (e) EDS of undissolved carbide for 420鄄鄄C at 1070 益 图 5 硬度随淬火温度的变化曲线 Fig. 5 Curves of hardness vs quenching at different temperatures 表 2 淬火态试样残留奥氏体体积分数测定结果 Table 2 Retained austenite content of samples after quenching % 钢种 1010 益 1030 益 1050 益 1070 益 1090 益 420鄄鄄 S 4郾 6 5郾 9 7郾 5 9郾 6 11郾 3 420鄄鄄C 5郾 3 13郾 7 22郾 8 20郾 2 21郾 3 2郾 2郾 2 回火组织 为了保证足够的淬硬性、淬透性和较少的残留 奥氏体含量,对 420鄄鄄C 和 420鄄鄄S 采用 1030 益进行油 淬,再通过不同的回火温度进行回火,所得到的硬度 随回火温度变化曲线如图 7 所示. 当温度在 250 ~ 300 益时,硬度下降至一个最低 ·1146·