钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 李爽时彦林杨晓彩石永亮王真张士宪施渊吉吴晓春 Microstructural evolution of Mo-W-V alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering LI Shuang,SHI Yan-lin,YANG Xiao-cai.SHI Yong-liang.WANG Zhen,ZHANG Shi-xian.SHI Yuan-ji.WU Xiao-chun 引用本文： 李爽，时彦林，杨晓彩，石永亮，王真，张士宪，施渊吉，吴晓春.钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变.工程科学学 报，2020,42(7)：902-911.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.06.04.003 LI Shuang.SHI Yan-lin,YANG Xiao-cai.SHI Yong-liang.WANG Zhen,ZHANG Shi-xian,SHI Yuan-ji,WU Xiao-chun. Microstructural evolution of MoWV alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering[J].Chinese Journal of Engineering,.2020,42(7):902-911.doi:10.13374j.issn2095-9389.2019.06.04.003 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.04.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热处理对四代核电用镍基合金薄壁管组织与性能的影响 Effect of heat treatment on the microstructure and properties of nickel-based superalloy thin-wall pipe for the fourth-generation nuclear reactor 工程科学学报.2018.405)：571htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.007 A1对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报.2018,40(2)：208htps:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.02.011 H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 Recent progress on primary carbides in AISI H13 hot work mold steel 工程科学学报.2018,40(11)：1288htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.002 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报.2019,41(7)：906 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.009 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 Research on heat treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of a Si-enriched F/M steel for LFR structure application 工程科学学报.优先发表https:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.19.002 4Cr5 MoSiV1热作模具钢700℃的低周疲劳行为 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiVI hot-work die steel at 700 C 工程科学学报.2020,42(5)：602 https:/doi.0rg10.13374.issn2095-9389.2019.06.10.004

钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 李爽 时彦林 杨晓彩 石永亮 王真 张士宪 施渊吉 吴晓春 Microstructural evolution of Mo−W−V alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering LI Shuang, SHI Yan-lin, YANG Xiao-cai, SHI Yong-liang, WANG Zhen, ZHANG Shi-xian, SHI Yuan-ji, WU Xiao-chun 引用本文: 李爽, 时彦林, 杨晓彩, 石永亮, 王真, 张士宪, 施渊吉, 吴晓春. 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变[J]. 工程科学学 报, 2020, 42(7): 902-911. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003 LI Shuang, SHI Yan-lin, YANG Xiao-cai, SHI Yong-liang, WANG Zhen, ZHANG Shi-xian, SHI Yuan-ji, WU Xiao-chun. Microstructural evolution of MoWV alloyed hot-work die steel during high-temperature tempering[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(7): 902-911. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 热处理对四代核电用镍基合金薄壁管组织与性能的影响 Effect of heat treatment on the microstructure and properties of nickel-based superalloy thin-wall pipe for the fourth-generation nuclear reactor 工程科学学报. 2018, 40(5): 571 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.007 Al对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报. 2018, 40(2): 208 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.011 H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 Recent progress on primary carbides in AISI H13 hot work mold steel 工程科学学报. 2018, 40(11): 1288 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.002 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报. 2019, 41(7): 906 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009 一种铅基快堆用高硅不锈钢的热处理工艺优化及铅铋相容性研究 Research on heat treatment optimization and heavy liquid metal compatibility of a Si-enriched F/M steel for LFR structure application 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.002 4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃的低周疲劳行为 Low-cycle fatigue behavior of 4Cr5MoSiV1 hot-work die steel at 700 ℃ 工程科学学报. 2020, 42(5): 602 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004

工程科学学报.第42卷.第7期：902-911.2020年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.7:902-911,July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003;http://cje.ustb.edu.cn 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 李爽2，时彦林)区，杨晓彩，石永亮)，王真，张士宪， 施渊吉)，吴晓春) 1)河北工业职业技术学院，石家庄0500912)河北省材料细品制备技术创新中心，石家庄0500913)南京工业职业技术学院，南京 2100464)上海大学材料科学与工程学院，上海200072 区通信作者，E-mail:sylyyyy@163.com 摘要为适应热冲压技术的发展需求，开发了一种新型高热导率高耐磨性能热冲压用模具钢材料.采用扫描电镜(SEM)、 透射电镜(TEM)等检测手段对钼钨钒合金化新型模具钢的高温回火性能与组织特征进行了研究.阐明了新型热冲压模具钢 回火过程碳化物析出与演变规律.实验结果表明：实验用钼钨钒合金化模具钢材料具有良好的回火二次硬化性能，在 500~600℃温度区间回火时，回火组织硬度上升：在600℃回火出现二次硬化峰值：当回火温度超过600℃后.组织软化程 度明显，回火硬度开始下降.实验模具钢在高温回火过程中的硬度变化与其合金碳化物的偏聚、析出和聚集长大密切相关 当在560℃以下回火时，实验钢组织中未有合金碳化物析出：当回火温度大于560℃时，回火组织中开始析出MC型碳化 物；当回火温度高于600℃后开始析出MC型碳化物；当在620℃长时间回火后M2C型碳化物转化为MC型碳化物，此时 实验钢硬度开始明显下降；而当回火温度高于660℃时，新型实验钢组织中主要为MC和MC型合金碳化物. 关键词模具钢：热处理：合金碳化物：组织：透射电镜 分类号TG142.1 Microstructural evolution of Mo-W-V alloyed hot-work die steel during high- temperature tempering LI Shuang2),SHI Yan-lin,YANG Xiao-cai,SHI Yong-liang,WANG Zhen),ZHANG Shi-xian,SHI Yuan-j).WU Xiao-chun 1)Hebei College of Industry and Technology,Shijiazhuang 050091,China 2)Hebei Material Fine Crystal Preparation Technology Innovation Center,Shijiazhuang 050091,China 3)Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210046,China 4)School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China Corresponding author,E-mail:sylyyyy@163.com ABSTRACT Hot-work die steels are widely used to meet the requirements of industrial applications in which the steels must endure high temperature and mechanical loads,such as the hot stamping of very-high-strength steel.In the field of hot-stamping technology applications,the tool materials must have excellent high-temperature performance,such as the high-temperature stability of the microstructure.Research on hot-stamping die materials began somewhat late in China because high-quality die steel products had typically been imported.A new type of hot-stamping die steel with high thermal conductivity and high wear resistance was developed to meet the requirements of hot-stamping technology.In this study,we used scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy (TEM)to determine the high-temperature tempering performance and microstructural characteristics of this new Mo-W-V alloyed hot-work die steel.Based on the results,we derived the precipitation and evolvement rules of the carbides in the new type hot- 收稿日期：2019-06-04 基金项目：河北省教育厅青年基金资助项目(QN2020257.QN2018221):河北工业职业技术学院博士基金资助项目(BZ201801)

钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 李    爽1,2)，时彦林1) 苣，杨晓彩1)，石永亮1)，王    真1)，张士宪1)， 施渊吉3)，吴晓春4) 1) 河北工业职业技术学院，石家庄 050091    2) 河北省材料细晶制备技术创新中心，石家庄 050091    3) 南京工业职业技术学院，南京 210046    4) 上海大学材料科学与工程学院，上海 200072 苣通信作者，E-mail: sylyyyy@163.com 摘    要    为适应热冲压技术的发展需求，开发了一种新型高热导率高耐磨性能热冲压用模具钢材料. 采用扫描电镜（SEM）、 透射电镜（TEM）等检测手段对钼钨钒合金化新型模具钢的高温回火性能与组织特征进行了研究. 阐明了新型热冲压模具钢 回火过程碳化物析出与演变规律. 实验结果表明：实验用钼钨钒合金化模具钢材料具有良好的回火二次硬化性能，在 500～600 ℃ 温度区间回火时，回火组织硬度上升；在 600 ℃ 回火出现二次硬化峰值；当回火温度超过 600 ℃ 后，组织软化程 度明显，回火硬度开始下降. 实验模具钢在高温回火过程中的硬度变化与其合金碳化物的偏聚、析出和聚集长大密切相关. 当在 560 ℃ 以下回火时，实验钢组织中未有合金碳化物析出；当回火温度大于 560 ℃ 时，回火组织中开始析出 M2C 型碳化 物；当回火温度高于 600 ℃ 后开始析出 MC 型碳化物；当在 620 ℃ 长时间回火后 M2C 型碳化物转化为 M6C 型碳化物，此时 实验钢硬度开始明显下降；而当回火温度高于 660 ℃ 时，新型实验钢组织中主要为 M6C 和 MC 型合金碳化物. 关键词    模具钢；热处理；合金碳化物；组织；透射电镜 分类号    TG142.1 Microstructural  evolution  of  Mo−W−V  alloyed  hot-work  die  steel  during  high￾temperature tempering LI Shuang1,2) ，SHI Yan-lin1) 苣 ，YANG Xiao-cai1) ，SHI Yong-liang1) ，WANG Zhen1) ，ZHANG Shi-xian1) ，SHI Yuan-ji3) ，WU Xiao-chun4) 1) Hebei College of Industry and Technology, Shijiazhuang 050091, China 2) Hebei Material Fine Crystal Preparation Technology Innovation Center, Shijiazhuang 050091, China 3) Nanjing Institute of Industry Technology, Nanjing 210046, China 4) School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China 苣 Corresponding author, E-mail: sylyyyy@163.com ABSTRACT    Hot-work die steels are widely used to meet the requirements of industrial applications in which the steels must endure high temperature and mechanical loads, such as the hot stamping of very-high-strength steel. In the field of hot-stamping technology applications,  the  tool  materials  must  have  excellent  high-temperature  performance,  such  as  the  high-temperature  stability  of  the microstructure.  Research  on  hot-stamping  die  materials  began  somewhat  late  in  China  because  high-quality  die  steel  products  had typically been imported. A new type of hot-stamping die steel with high thermal conductivity and high wear resistance was developed to meet the requirements of hot-stamping technology. In this study, we used scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) to determine the high-temperature tempering performance and microstructural characteristics of this new Mo−W−V alloyed hot-work die steel. Based on the results, we derived the precipitation and evolvement rules of the carbides in the new type hot- 收稿日期: 2019−06−04 基金项目: 河北省教育厅青年基金资助项目 (QN2020257，QN2018221)；河北工业职业技术学院博士基金资助项目 (BZ201801) 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期：902−911，2020 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 7: 902−911, July 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003; http://cje.ustb.edu.cn

李爽等：钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 903· stamping die steel during the tempering process,which indicate that the new Mo-W-V alloyed test steel has an excellent secondary hardening property.We find the hardness of the microstructure to increase after tempering at 500 C-600 C;however,at tempering temperatures above 600C,the matrix obviously softens and the hardness of the test-steel microstructure decreases.The hardness of the test die steel is strongly linked to the segregation,precipitation and growth of the alloy carbides in the matrix.No alloy carbide precipitation is observed at tempering temperatures below 560 C;however,M2C-type carbide precipitation is observed at tempering temperatures higher than 560 C.MC-type alloy carbide is observed in the test-steel matrix at tempering temperatures up to 600 C.At tempering temperatures above 620 C,the M2C-type alloy carbides transform into M C-type alloy carbides and the hardness curve of the test steel sharply declines.The MC-type and MC-type alloy carbides are the main carbides in the matrix of the new Mo-W-V alloyed hot-work die steel. KEY WORDS die steel:heat treatment;alloy carbide:microstructure;transmission electron microscopy 在现代模具制造业中，热作模具钢是其重要 以钼钨为主要合金元素的模具钢材料，HTCS 的组成部分四.热作模具钢是用来将加热到再结晶 130最主要特点就是超高的热导率例.但是从进口 温度以上的金属或液态金属制造为所需要形状产 模具在热冲压现场的服役表现来看，其耐磨性能 品的模具材料四高强钢板的热冲压技术所采用的 很差，模具较早的发生磨损失效6.热作模具钢在 模具材料一般采用热作模具钢制造.不同的是，由 实际服役中要求有较好的强韧性配合来保证其服 于高强钢板热冲压技术工况的特殊性，要求模具 役寿命，在使用前会进行热处理来保证其具有良 钢材料具有更高的性能要求，如高热导率、高温稳 好的组织和性能.一般采用淬火加回火的热处理 定性、良好的高温摩擦磨损性能等)我国的模具 方法得到良好的综合力学性能.模具钢在经过高 钢事业起步较晚，最初的热作模具钢以钨系、铬 温固溶和淬火热处理后，碳化物以及绝大部分的 系、铬钼系和铬钼钨系模具钢为主.如3Cr2W8V 合金碳化物将溶于钢的马氏体基体中，在随后的 是应用最早的钨系热作模具钢，以4Cr5 MoSiV1(H13)、 回火热处理过程中，通过偏聚、形核和长大的机制 4Cr5 MoSiV(11)为代表的铬钼系模具钢，以及 发生演变，而在回火处理过程中，碳化物的演变机 5Cr4Mo2W2SiV(RM2)为代表的铬钼钨系模具钢. 制是决定模具钢材料力学性能的根本因素0-川 钼钨钒合金化模具钢是我国自主研制的一种高热 不同体系合金钢在回火过程中组织的变化主要是 导率高耐磨性的热作模具钢材料，其特点是降低 由合金碳化物在实验条件下的析出及演变规律的 了恶化钢热导率的合金元素，如铬、硅和锰，主要 影响决定的2-1 采用碳化物形成元素钨、钼、钒等，达到高热导率 本文所选用的实验材料采用了钼钨钒合金化 和高耐磨性的特点)目前国内热冲压生产线有 设计特点，来确保材料具有高的热导率和耐磨性 以下几种材料：以铬钼硅合金化的H13钢，此热作 由于材料合金化配比的特殊性，其热处理组织转 模具钢以铬元素为主，具有较好的热强度和硬度， 变特征必然不同于现有的其他合金体系模具钢材 不过由于其热导率较低，并且耐磨性能不佳，在热 料.因此本文采用扫描电镜和透射电镜研究新材 冲压生产线上的服役表现较差，模具容易出现磨 料的回火组织演变机理，通过对新型钼钨钒合金 损失效而寿命较低.C℉7V钢是德国的模具钢材 化模具钢的回火组织演变进行研究，为国产模具 料，其与H13钢在成分上的差别为，碳铬钼钒的含 钢的开发和应用研究提供资料参考 量都有所提高，具有良好的耐磨性CR7V模具 1实验方法 钢可以经热处理得到高硬度而具有良好的耐磨 性，但是其韧性较差，热冲压模具镶块容易开裂， 1.1实验材料 而且其热导率水平同样不高，制约着冲压节拍的 本文采用的实验材料制备工艺如下：电炉熔 提高，同时由于进口材料价格昂贵，影响了其普遍 炼一电渣重熔一多向锻造一退火.最终得到的实 使用.DIEVAR热作模具钢是一种对HI3钢进行 验材料的化学成分如表1所示.本研究的国产新 成分优化后得到的钢种，采用最新的生产及精炼 型模具钢材料采用了钼钨钒为主要的合金元素， 工艺制造，由此使得DIEVAR钢具备更好的高温 增加模具钢的高温力学性能和耐磨性；同时采用 综合力学性能-但是由于其耐磨性能不够出色， 低硅、低锰和低铬的特点，保证模具钢具有良好的 在热冲压生产线表现一般.HTCS-130钢是西班牙 热导性能等

stamping die steel during the tempering process, which indicate that the new Mo−W−V alloyed test steel has an excellent secondary hardening property. We find the hardness of the microstructure to increase after tempering at 500 ℃–600 ℃; however, at tempering temperatures above 600 °C, the matrix obviously softens and the hardness of the test-steel microstructure decreases. The hardness of the test  die  steel  is  strongly  linked  to  the  segregation,  precipitation  and  growth  of  the  alloy  carbides  in  the  matrix.  No  alloy  carbide precipitation is observed at tempering temperatures below 560 ℃; however, M2C-type carbide precipitation is observed at tempering temperatures higher than 560 ℃. MC-type alloy carbide is observed in the test-steel matrix at tempering temperatures up to 600 ℃. At tempering temperatures above 620 ℃, the M2C-type alloy carbides transform into M6C-type alloy carbides and the hardness curve of the test steel sharply declines. The MC-type and M6C-type alloy carbides are the main carbides in the matrix of the new Mo−W−V alloyed hot-work die steel. KEY WORDS    die steel；heat treatment；alloy carbide；microstructure；transmission electron microscopy 在现代模具制造业中，热作模具钢是其重要 的组成部分[1] . 热作模具钢是用来将加热到再结晶 温度以上的金属或液态金属制造为所需要形状产 品的模具材料[2] . 高强钢板的热冲压技术所采用的 模具材料一般采用热作模具钢制造. 不同的是，由 于高强钢板热冲压技术工况的特殊性，要求模具 钢材料具有更高的性能要求，如高热导率、高温稳 定性、良好的高温摩擦磨损性能等[3] . 我国的模具 钢事业起步较晚，最初的热作模具钢以钨系、铬 系、铬钼系和铬钼钨系模具钢为主. 如 3Cr2W8V 是应用最早的钨系热作模具钢，以4Cr5MoSiV1（H13）、 4Cr5MoSiV（ 11）为代表的铬钼系模具钢 ，以 及 5Cr4Mo2W2SiV（RM2）为代表的铬钼钨系模具钢. 钼钨钒合金化模具钢是我国自主研制的一种高热 导率高耐磨性的热作模具钢材料，其特点是降低 了恶化钢热导率的合金元素，如铬、硅和锰，主要 采用碳化物形成元素钨、钼、钒等，达到高热导率 和高耐磨性的特点[4−5] . 目前国内热冲压生产线有 以下几种材料：以铬钼硅合金化的 H13 钢，此热作 模具钢以铬元素为主，具有较好的热强度和硬度， 不过由于其热导率较低，并且耐磨性能不佳，在热 冲压生产线上的服役表现较差，模具容易出现磨 损失效而寿命较低. CR7V 钢是德国的模具钢材 料，其与 H13 钢在成分上的差别为，碳铬钼钒的含 量都有所提高，具有良好的耐磨性[6] . CR7V 模具 钢可以经热处理得到高硬度而具有良好的耐磨 性，但是其韧性较差，热冲压模具镶块容易开裂， 而且其热导率水平同样不高，制约着冲压节拍的 提高，同时由于进口材料价格昂贵，影响了其普遍 使用. DIEVAR 热作模具钢是一种对 H13 钢进行 成分优化后得到的钢种，采用最新的生产及精炼 工艺制造，由此使得 DIEVAR 钢具备更好的高温 综合力学性能[7−8] ，但是由于其耐磨性能不够出色， 在热冲压生产线表现一般. HTCS-130 钢是西班牙 以钼钨为主要合金元素的模具钢材料 ， HTCS- 130 最主要特点就是超高的热导率[9] . 但是从进口 模具在热冲压现场的服役表现来看，其耐磨性能 很差，模具较早的发生磨损失效[6] . 热作模具钢在 实际服役中要求有较好的强韧性配合来保证其服 役寿命，在使用前会进行热处理来保证其具有良 好的组织和性能. 一般采用淬火加回火的热处理 方法得到良好的综合力学性能. 模具钢在经过高 温固溶和淬火热处理后，碳化物以及绝大部分的 合金碳化物将溶于钢的马氏体基体中，在随后的 回火热处理过程中，通过偏聚、形核和长大的机制 发生演变，而在回火处理过程中，碳化物的演变机 制是决定模具钢材料力学性能的根本因素[10−11] . 不同体系合金钢在回火过程中组织的变化主要是 由合金碳化物在实验条件下的析出及演变规律的 影响决定的[12−15] . 本文所选用的实验材料采用了钼钨钒合金化 设计特点，来确保材料具有高的热导率和耐磨性. 由于材料合金化配比的特殊性，其热处理组织转 变特征必然不同于现有的其他合金体系模具钢材 料. 因此本文采用扫描电镜和透射电镜研究新材 料的回火组织演变机理，通过对新型钼钨钒合金 化模具钢的回火组织演变进行研究，为国产模具 钢的开发和应用研究提供资料参考. 1    实验方法 1.1    实验材料 本文采用的实验材料制备工艺如下：电炉熔 炼—电渣重熔—多向锻造—退火. 最终得到的实 验材料的化学成分如表 1 所示. 本研究的国产新 型模具钢材料采用了钼钨钒为主要的合金元素， 增加模具钢的高温力学性能和耐磨性；同时采用 低硅、低锰和低铬的特点，保证模具钢具有良好的 热导性能等. 李    爽等： 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 · 903 ·

904 工程科学学报，第42卷，第7期 表1实验钢成分（质量分数） 60 Table 1 Composition of the test steel ●Hardness C Si Mn Cr Mo W V P S Fe 0.480.100.080.132.991.700.860.010.02Bal. 盖0 1.2实验步骤和方法 45 回火硬度的高低通常作为热作模具钢重要性 40 能指标之一，本实验通过测定不同回火温度下的 硬度值绘制新材料的回火温度-硬度关系曲线.热 35 500 550 600650 700 处理实验材料试样尺寸为：15mm×15mm×15mm Temperature/C 立方钢块，热处理工艺为：实验钢在真空油淬炉中 图1实验钢回火硬度曲线 经缓慢加热到1080℃奥氏体化后保温30min,随 Fig.I Tempering hardness curve of the test steel 后进行油淬冷却到室温，然后在S2-5-12箱式炉中 2.2回火组织扫描电镜表征 进行加热和保温回火处理，回火温度分别为500、 图2为实验钢组织扫描电镜照片.通过图2 520、540、560、580、600、620、640、660、680和 中不同热处理后的组织对比可知，在520~600℃ 700℃，回火次数为两次.每次2h.经两次回火后 回火时，随着回火温度的升高，其组织变化不明 的试样经打磨掉表面氧化物并研磨平整后，采用 显.在此区间回火后，实验模具钢还保持着回火马 Leco R-260洛氏硬度计进行材料硬度测量，硬度测 氏体组织特征，其中分布着高温固溶处理后未溶 试方法按照标准《GBT230金属材料洛氏硬度试 解的大尺寸合金碳化物和回火析出的二次碳化 验》内容进行测试.经不同回火热处理后的试样经 物，如图2(a)、(b)、(c)中所示白色碳化物.此阶 研磨、机械剖光并经体积分数为4%硝酸酒精溶 段在回火硬度曲线上表现为：其硬度值保持在较 液腐蚀后，利用ZEISS SUPRA40型扫描电子显微 高的水平.当回火温度超过600℃后，材料回火组 镜进行回火组织表征.经不同回火热处理后的试 织回复程度增加，如图2(d)、(e)、(f)所示，在回 样经机加工成1mm厚薄片，然后经过机械研磨减 火硬度曲线上表现为：随回火温度上升，硬度下降 薄、电解双喷后制成透射试样，在JEM21O0F型场 明显.尤其当回火温度升高到700℃时，其回火组 发射高分辨透射电镜上进行组织表征，得到实验 织以看不到回火马氏体的特征，其组织与退火组 钢的回火组织演变规律 织相似，表现为铁素体基体上分布着较多的碳化 2 实验结果及分析 物，如图2()所示.在经过700℃回火后，实验钢 组织硬度下降到了约38HRC,说明其组织发生了 2.1回火硬度特征曲线 严重的回复软化 按照12介绍的实验方法和步骤，通过回火实 实验模具钢中含有质量分数为2.99%的钼元 验后测得的材料硬度绘制回火硬度曲线，如 素和1.70%的钨以及0.86%的钒.这些合金元素 图1所示. 与碳有较强的亲和能力，在回火过程中的偏聚和 由图1可知，实验模具钢材料具有明显的回火 析出现象使得实验模具钢具有较明显的二次硬化 二次硬化效应，其二次硬化峰值出现在600℃左 现象.当回火温度较低时，如本实验中的500℃ 右，回火后硬度为57.5HRC.在本实验中，实验模 到600℃温度范围时，这些合金碳化物还未发生 具钢在500~600℃回火2次后，其硬度呈缓慢上 明显的长大，在放大倍数为20000倍的组织扫描 升趋势，硬度提高约4.5HRC;当回火温度超过 电镜照片中很难发现回火析出的合金碳化物，如 600℃后其硬度开始下降，下降趋势相对明显，在 图3(a)所示，因此实验钢保持着较高的硬度.随着 600~700℃区间硬度下降约18HRC.新型模具钢 回火温度的升高，位错等亚结构发生重排，马氏体 的回火二次硬化与其成分中的钼、钨和钒元素息 板条开始合并，碳化物能够形核析出，此时通过组 息相关，这些合金元素在经过高温固溶处理后进 织高倍扫描电镜照片可看到有大量细小的合金碳 行淬火，其在淬火马氏体中处于过饱和状态，而在 化物析出，其尺寸在十几纳米到几十纳米范围，如 500~600℃回火时会发生脱溶析出，进而导致材 图3(b)所示.当回火温度进一步提高到700℃ 料出现二次硬化现象 后，回火组织中碳化物聚集长大程度明显，此过程

表 1 实验钢成分（质量分数） Table 1 Composition of the test steel C Si Mn Cr Mo W V P S Fe 0.48 0.10 0.08 0.13 2.99 1.70 0.86 0.01 0.02 Bal. 1.2    实验步骤和方法 回火硬度的高低通常作为热作模具钢重要性 能指标之一，本实验通过测定不同回火温度下的 硬度值绘制新材料的回火温度−硬度关系曲线. 热 处理实验材料试样尺寸为：15 mm×15 mm×15 mm 立方钢块. 热处理工艺为：实验钢在真空油淬炉中 经缓慢加热到 1080 ℃ 奥氏体化后保温 30 min，随 后进行油淬冷却到室温，然后在 S2-5-12 箱式炉中 进行加热和保温回火处理，回火温度分别为 500、 520、 540、 560、 580、 600、 620、 640、 660、 680 和 700 ℃，回火次数为两次，每次 2 h. 经两次回火后 的试样经打磨掉表面氧化物并研磨平整后，采用 Leco R-260 洛氏硬度计进行材料硬度测量，硬度测 试方法按照标准《GB/T230 金属材料洛氏硬度试 验》内容进行测试. 经不同回火热处理后的试样经 研磨、机械剖光并经体积分数为 4% 硝酸酒精溶 液腐蚀后，利用 ZEISS SUPRA40 型扫描电子显微 镜进行回火组织表征. 经不同回火热处理后的试 样经机加工成 1 mm 厚薄片，然后经过机械研磨减 薄、电解双喷后制成透射试样，在 JEM2100F 型场 发射高分辨透射电镜上进行组织表征，得到实验 钢的回火组织演变规律. 2    实验结果及分析 2.1    回火硬度特征曲线 按照 1.2 介绍的实验方法和步骤，通过回火实 验后测得的材料硬度绘制回火硬度曲线 ，如 图 1 所示. 由图 1 可知，实验模具钢材料具有明显的回火 二次硬化效应，其二次硬化峰值出现在 600 ℃ 左 右，回火后硬度为 57.5 HRC. 在本实验中，实验模 具钢在 500～600 ℃ 回火 2 次后，其硬度呈缓慢上 升趋势 ，硬度提高约 4.5 HRC；当回火温度超过 600 ℃ 后其硬度开始下降，下降趋势相对明显，在 600～700 ℃ 区间硬度下降约 18 HRC. 新型模具钢 的回火二次硬化与其成分中的钼、钨和钒元素息 息相关，这些合金元素在经过高温固溶处理后进 行淬火，其在淬火马氏体中处于过饱和状态，而在 500～600 ℃ 回火时会发生脱溶析出，进而导致材 料出现二次硬化现象[16] . 2.2    回火组织扫描电镜表征 图 2 为实验钢组织扫描电镜照片. 通过图 2 中不同热处理后的组织对比可知，在 520～600 ℃ 回火时，随着回火温度的升高，其组织变化不明 显. 在此区间回火后，实验模具钢还保持着回火马 氏体组织特征，其中分布着高温固溶处理后未溶 解的大尺寸合金碳化物和回火析出的二次碳化 物，如图 2（a）、（b）、（c）中所示白色碳化物. 此阶 段在回火硬度曲线上表现为：其硬度值保持在较 高的水平. 当回火温度超过 600 ℃ 后，材料回火组 织回复程度增加，如图 2（d）、（e）、（f）所示，在回 火硬度曲线上表现为：随回火温度上升，硬度下降 明显. 尤其当回火温度升高到 700 ℃ 时，其回火组 织以看不到回火马氏体的特征，其组织与退火组 织相似，表现为铁素体基体上分布着较多的碳化 物，如图 2（f）所示. 在经过 700 ℃ 回火后，实验钢 组织硬度下降到了约 38 HRC，说明其组织发生了 严重的回复软化. 实验模具钢中含有质量分数为 2.99% 的钼元 素和 1.70% 的钨以及 0.86% 的钒. 这些合金元素 与碳有较强的亲和能力，在回火过程中的偏聚和 析出现象使得实验模具钢具有较明显的二次硬化 现象. 当回火温度较低时，如本实验中的 500 ℃ 到 600 ℃ 温度范围时，这些合金碳化物还未发生 明显的长大，在放大倍数为 20000 倍的组织扫描 电镜照片中很难发现回火析出的合金碳化物，如 图 3（a）所示，因此实验钢保持着较高的硬度. 随着 回火温度的升高，位错等亚结构发生重排，马氏体 板条开始合并，碳化物能够形核析出，此时通过组 织高倍扫描电镜照片可看到有大量细小的合金碳 化物析出，其尺寸在十几纳米到几十纳米范围，如 图 3（ b）所示. 当回火温度进一步提高到 700 ℃ 后，回火组织中碳化物聚集长大程度明显，此过程 60 55 50 45 40 35 500 550 600 650 700 Temperature/℃ Hardness Hardness, HRC 图 1    实验钢回火硬度曲线 Fig.1    Tempering hardness curve of the test steel · 904 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期

李爽等：钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 905· 2 um 2 um 2μm 2μm 2 um 图2不同热处理后组织扫描电镜照片.(a)淬火态：(b)560℃回火：(c)600℃回火：(d)620℃回火：(e)640℃回火：(f)700℃回火 Fig.2 SEM images of microstructure after heat treatment:(a)after quenching;(b)tempering at 560 C;(c)tempering at 600 C;(d)tempering at 620 C; (e)tempering at640℃，()tempering at700℃ 造成组织中细小合金碳化物数量减少，而尺寸增 物的析出密切相关.在回火过程中，马氏体组织中 大，对位错和晶界等的运动钉扎作用减弱，此时组 析出的第二相颗粒与位错发生弹性交互作用而引 织回复软化严重，表现为硬度下降明显 起强化效应.Fe-C马氏体回火在低温回火时马氏 热作模具钢材料由于其服役条件的特殊性， 体分解，生成亚稳态的ε和X碳化物，当回火温度 不仅要求其在室温下具有高的强度，同时还要求 升高时，ε和X碳化物将转变为稳定的0碳化物， 其在高温下能够保有高的强度，因此热作模具钢 即渗碳体FeC.当回火处理在400℃之下进行时， 一般具有较高的回火抗力.二次硬化效应是热作 钢中只发生渗碳体的析出，而当回火温度超过 模具钢具有良好的抗高温回火软化能力的原因. 500℃后，合金钢中的合金元素将取代渗碳体形 二次硬化过程中组织随回火温度的提高发生变 成合金碳化物正是基于此，本实验选取实验回 化，其中合金元素的析出作用具有较大的影响，其 火温度高于500℃.实验钢采用了新的钼钨钒合 包括着合金碳化物的形核、长大、类型转变和粗 金化体系，其回火过程中的合金碳化物析出和演 化等⑧7-合金钢中，回火马氏体的硬度与碳化 变过程必然不同于其他体系的合金钢，因此通过

造成组织中细小合金碳化物数量减少，而尺寸增 大，对位错和晶界等的运动钉扎作用减弱，此时组 织回复软化严重，表现为硬度下降明显. 热作模具钢材料由于其服役条件的特殊性， 不仅要求其在室温下具有高的强度，同时还要求 其在高温下能够保有高的强度，因此热作模具钢 一般具有较高的回火抗力. 二次硬化效应是热作 模具钢具有良好的抗高温回火软化能力的原因. 二次硬化过程中组织随回火温度的提高发生变 化，其中合金元素的析出作用具有较大的影响，其 包括着合金碳化物的形核、长大、类型转变和粗 化等[8, 17−18] . 合金钢中，回火马氏体的硬度与碳化 χ χ 物的析出密切相关. 在回火过程中，马氏体组织中 析出的第二相颗粒与位错发生弹性交互作用而引 起强化效应. Fe−C 马氏体回火在低温回火时马氏 体分解，生成亚稳态的 ε 和 碳化物，当回火温度 升高时，ε 和 碳化物将转变为稳定的 θ 碳化物， 即渗碳体 Fe3C. 当回火处理在 400 ℃ 之下进行时， 钢中只发生渗碳体的析出，而当回火温度超过 500 ℃ 后，合金钢中的合金元素将取代渗碳体形 成合金碳化物[18] . 正是基于此，本实验选取实验回 火温度高于 500 ℃. 实验钢采用了新的钼钨钒合 金化体系，其回火过程中的合金碳化物析出和演 变过程必然不同于其他体系的合金钢，因此通过 (a) 2 μm (b) 2 μm (c) 2 μm (d) 2 μm (e) 2 μm (f) 2 μm 图 2    不同热处理后组织扫描电镜照片. （a）淬火态；（b）560 ℃ 回火；（c）600 ℃ 回火；（d）620 ℃ 回火；（e）640 ℃ 回火；（f）700 ℃ 回火 Fig.2    SEM images of microstructure after heat treatment: (a) after quenching; (b) tempering at 560 ℃; (c) tempering at 600 ℃; (d) tempering at 620 ℃; (e) tempering at 640 ℃; (f) tempering at 700 ℃ 李    爽等： 钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变 · 905 ·