真空热处理工艺

ASTM A681-1984 （H-13） GB 1299-85 （4Cr5MoSiV1）钢挤压模具真空热处理工艺

摘要　分析了不同真空热处理制度对4Cr5MoSiV1模具钢的室温硬度、常规力学性能、高温硬度、高温力学性能及特种性能的影响．用透射电镜、扫描电镜、光学显微镜和体视显微镜分析了该材料经不同真空热处理后的显微组织和热磨损、热疲劳的表面形貌，从而优选出合理的真空热处理工艺．经工业性生产试验表明，用优选的处理的挤压模具，综合性能好，组织均匀致密，耐磨性和热疲劳抗力高，变形小，无氧化、脱碳，模具使用寿命较常规热处理提高2～3倍以上．

　　提高铝挤压模具寿命，不仅应选择性能优良的模具材料，而且应采用*的热处理工艺与设备．4Cr5MoSiV1钢作为铝挤压模具用钢，具有良好的强韧性，高温强度与抗回火稳定性[1]．如果采用*的真空热处理技术，可以达到无氧化加热、发挥材料性能优势、提高模具寿命的目的．但是，目前国内外对4Cr5MoSiV1钢真空热处理方面的基础工作研究甚少，特别是结合铝挤压模具的特点，研究该钢真空热处理后的组织、性能对模具的影响规律，优选制度方面的文献几乎很难找到．
　　为了提高铝合金热挤压模具的质量，提高其使用寿命，我们对4Cr5MoSiV1钢的进行了全面系统的研究，并与常规的热处理工艺进行了对比，以寻求*的．
1　试验材料与试验方法
1.1　试验材料
　　试验用钢为国产φ150mm电炉+VHD炉外精炼钢棒，化学成分见表1．试样及试验模具均取同一炉次钢棒，并经相同方法改锻和预处理．钢棒的原始硬度、预处理后的硬度和球化退火硬度分别为：HB207～217;HB237;HB202．
表1 试验用钢4Cr5MoSiv1的化学成份%
C Cr Mo V Si Mn P S
0.36 4.85 1.40 1.01 1.00 0.35 0.017 0.009
0.32-0.45 4.75-5.5 1.1-1.75 0.8-1.2 0.8-1.2 0.2-0.5 <0.03 <0.03
1.2　试样的制备工艺
　　圆钢→锯切→改锻→试样和模具毛坯→预处理→精加工→真空热处理→试验或生产试制．
1.3　试验工艺
　　见表2和图1．
表2 4Cr5MoSiv1钢试验方案
A淬火温度/℃ B回火温度/℃
1000 200 300 400 540 580 600 630
1020 200 300 400 540 580 600 630
1040 200 300 400 540 580 600 630
1080 200 300 400 540 580 600 630

1.4　试验方法
　　热处理：试验用真空热处理淬火，回火用实验电炉回火；生产试验模具用真空热处理炉淬火，箱式电阻炉回火．
　　室温硬度：布洛维硬度计检测．
　　室温拉伸性能：用材料试验机同时测定材料的抗拉强度、伸长率和断面收缩率．
　　室温冲击韧性：用冲击试验测定．
　　室温平面应变断裂韧性：用液压试验机配置放大仪、记录仪记录载荷-裂纹张开位移曲线，加载速率为0.56～0.8MPa．m1/2,然后用30倍工具显微镜测定断口裂纹长度a．
　　金相组织：用卧式金相显微镜观察淬火、回火组织和实际晶粒度，用透射电子显微镜观察淬火、回火马氏体形态．
　　KⅠC断口形貌：用扫描电镜观察KⅠC断口形貌．
2　试验结果及讨论
2.1　淬火、回火温度对硬度的影响
　　4Cr5MoSiV1钢经不同温度淬火、回火后的室温硬度变化见图2．

　　试验结果表明：4Cr5MoSiV1钢的硬度值随真空淬火加热温度的升高而增加，这时因该钢中含有较多的碳化物形成元素Cr、Mo、V,随着淬火加热温度的上升，Cr的碳化物（M7C2或M23C6）首先溶解，至1100℃时大部分溶解完毕．此时Mo、V的碳化物也可能溶解一部分．因此，奥氏体基体中合金溶解度（主要是C和Cr元素）迅速增大，然后形成固溶强化，使硬度迅速上升．
　　在回火过程中，随着回火温度的升高，硬度值逐渐下降，在400℃附近出现谷值随后回火温度升高，硬度逐渐回升，至540℃附近出现硬度zui大值,即二次硬化现象当回火温度超过620℃时,硬度开始迅速下降.这可能是由于固液体的分解及碳化物的聚集长大造成的.
2.2　淬火回火对室温抗拉性能的影响
　　试验结果表明：随着真空淬火加热温度的升高，合金碳化物依次溶解，固溶强化效应增强，强度升高，塑性下降，经540℃回火时，4Cr5MoSiV1钢出现σb的峰值，此时的塑性值δ、Φ呈上升趋势．
　　随着回火温度的上升，由于碳化物的析出和聚集长大，马氏体含碳量降低，淬火应力逐渐消除，强度逐渐下降，塑性逐渐提高．在400～500℃范围内回火时，从固溶体中析出细小、弥散的M7C3、M23C6、Mo2C和VC等碳化物，均匀分布在基体上，使钢产生二次硬化现象[3]．当回火温度高于620℃时，强度急剧下降，塑性上升．
2.3　淬火、回火温度对室温冲击韧性的影响
　　4Cr5MoSiV1钢经不同真空淬火、回火后的室温冲击韧性的变化见图3．

　　结果表明：ak随着真空淬火加热温度的升高而降低，于500℃回火处降到zui小值．这就是所谓高温回火脆性，产生的原因是在450～650℃回火时微量杂质（P、Sb等）元素现硬度zui大值，即二次硬化现象当回火温度超过620℃时，硬度开始迅速下降．这可能是由于固溶体的分解及碳化物的聚集长大造成的．或合金元素向原来的奥氏体晶界偏聚或析出，削弱了晶粒之间的结合强度，从而使钢出现脆性[4][5]．超过此谷值后，ak迅速回升．经600℃回火后，1080℃淬火的ak比1040℃低40%,比1020℃低50%．
2.4　淬火温度对KⅠC值的影响
　　4Cr5MoSiV1钢经不同温度真空淬火，600℃回火后的KⅠC值见表3．
表3　4Cr5MoSiV1不同温度真空淬火的KⅠC的值
试验号 真空淬火温度/℃ 回火温度/℃ KⅠC/MPa.m
1 1020 600+580 34.9
2 1040 600+580 34.2
3 1080 600+580 23.9
　　结果表明：淬火加热温度对高温回火（600℃）KⅠC值的影响主要表现在残余碳化物和晶粒大小的影响方面[4][5][6][7],即调整残余碳化物的状态和数量，可提高热作模具钢的KⅠC值；晶粒度对KⅠC的影响取决于晶粒平均截线长度L与裂纹塑性区直径dy之比值；L/dy<1时，晶粒长大使KⅠC值迅速下KⅠC降；L/dy>1时，晶粒长大使K值停止下降甚至增加．在上述三种处理制度（淬火温度）下的KⅠC值变化不大．
　　回火温度对KⅠC值的影响，其趋势与回火温度对ak值的影响规律相似，断口微观形貌为准解理+韧窝，详见图4．

2.5　淬火、回火温度对显微组织的影响
　　试验结果表明：4Cr5MoSiV1钢在1000℃～1040℃范围内真空淬火，600+580℃回火后的实际晶粒度在八级以上，且细小均匀．只有在1080℃真空淬火后，钢的实际晶粒度开始急剧长大到4～7级．从钢的实际晶粒度级别来看，1040℃真空淬火，600+580℃回火为*，达10级晶粒度．
　　4Cr5MoSiV1钢经不同温度真空淬火，600℃加580℃回火后的显微组织见图5．

图5 不同温度真空淬火回火后的显微组织
　　金相分析结果表明：4Cr5MoSiV1钢经不同温度真空淬火后的组织均为淬火马氏体+残余奥氏体和少量细小均匀的球状碳化物．随着淬火温度的升高，碳化物数量减少，马氏体板条变粗，晶粒逐渐长大，残余奥氏体量增加．
　　钢的淬火、回火组织为回火马氏体+残余奥氏体和少量细小均匀的球状碳化物．从组织精细角度来看，淬火温度以1020～1040℃，回火温度为600～620℃为宜．
3　试验模具挤压结果与分析
　　根据以上试验结果制作的铝型材挤压模具分别在20MN和25MN油压挤压机上进行试挤，并在相同的挤压条件下与用常规热处理方法处理的模具进行对比试验，结果列于表4中．


表4 4Cr5MoSiV1铝型材挤压模对比试验结果
模具型号 处理方法 挤压量/t 模具状态 型材表面 备注
xx 1# 真空热处理 23.145 继续服役 好 分流模
xx 2# 真空热处理 18.211 继续服役 好 分流模
xx 3# 常规热处理 8.346 磨损超差 一般 分流模
xx 1# 真空热处理 12.470 继续服役 好 平面模
　　结果表明：经真空热处理的模具，其使用寿命比常规热处理模具使用寿命提高2～3倍以上，型材表面质量也有较大提高[8][9]．真空热处理模具可连续生产150～200个锭以上，制品表面稍差时模子工作带仅有轻微划痕，修模十分省力．常规热处理模具在连续挤压50个铸锭时，制品表面出现凸纹，模具工作带出现严重划沟，修模十分困难，并易发生壁厚超正差，造成模具报废．
4　结论
　　（1）4Cr5MoSiV1钢铝合金挤压模具经真空淬火和回火后，组织均匀致密，韧塑性得到改善，具有良好的综合性能．
　　（2）生产实验表明，与传统的热处理方法相比，经真空热处理的铝合金型挤压模耐磨性好，粘铝少，型材表面光洁且尺寸精密，模具使用寿命可提高2-3倍．
　　（3）对于4Cr5MoSiV1钢铝合金挤压模具来说，建议采用1040℃真空加热，气压为0.113～80kPa真空油淬600+580℃电阻炉回火的热处理工艺．