热作模具钢QR090与8407回火稳定性对比

　　热作模具钢QR090与8407回火稳定性对比

　　通过TEM显微组织来对比、分析QR090钢具有比8407钢更佳回火稳定性的原因。结果表明：采用1050℃油淬、650℃×2h的相同处理后，发现QR090钢中由于马氏体分解及残余奥氏体转变的推迟，尚存在高位错密度的马氏体板条及条间残余奥氏体，在马氏体板条内有很多弥散、细小的MC及M2C合金碳化物分布在位错线(区)内，正是这种组织赋予了QR090钢更佳的回火稳定性。

　　1 前言

　　回火稳定性是热作模具钢的主要性能之一，它反映了模具钢在高的工作温度下抵抗软化的能力，它关系到钢的高温硬度、高温强度及热疲劳抗力等等。提高回火稳定性有助于延长模具的使用寿命。8407(H13)钢是一种在国外使用较广泛的5%Cr系热作模具钢，这种空淬热作模具钢有较高的强度、回火稳定性、良好的韧性及热疲劳抗力[1][2]。但随着热锻、热挤压及压铸技术的不断开发，工作频率增快，工作温度升高，使模具的服役条件日趋苛刻，对模具材料的要求也随之提高，8407已不能适应这些新的变化。为此，瑞典Uddeholm公司于80年代末开发出新一代Cr-Mo系热作模具钢QR090钢，它与8407钢相比，降低了Cr、Si含量，提高了Mo含量，虽然QR090钢中合金元素总含量低于8407钢，但其综合机械性能如屈服强度、韧性及热疲劳抗力等优于8407钢。有关QR090钢的性能特点及应用已有报导[1-4]，但有关QR090钢成分―显微组织―性能之间的关系还研究得很少[5]，本文主要探讨QR090钢回火稳定性优于8407钢的微观原因。

　　2 实验方法及步骤

　　2.1 实验用材料

　　本文选用瑞典ASSAB公司生产的商品热作模具钢QR090与8407作试验材料，其化学成分列于下页表1。

　　2.2 测定回火曲线(回火温度―硬度关系)

　　*为瑞典ASSAB公司热作模具钢牌号

　　试样尺寸为10mm×15mm×18mm，采用1050℃加热油淬，再分别在200℃、400℃、480℃、520℃、590℃、620℃、650℃回火2h，然后测定硬度(洛氏硬度)。

　　2.3 投射电镜TEM组织分析

　　TEM试样制备：将经过1050℃油淬，650℃回火2h的试样，线切割至0.3mm厚度的薄片，手工磨薄至50-70μm，冲成直径3mm的小圆片，最后进行双喷电解抛光，电解抛光液的成分为：5%高氯酸+无水究酒精，抛光电压维持在50-55V，电流85-90mA，电解温度为-35―30℃。在JEM-100CX投射电镜上对制成的TEM试样进行观察及摄照。

　　热作模具钢QR090与8407回火稳定性对比

　　3.2 TEM组织分析

　　图2、3(略)是8407钢与QR090钢经1050℃油淬650℃回火后的投射电镜照片，从图中可见，二者有明显的的差别。图2(略)显示8407钢经650℃回火后，回火组织中的板条马氏体已消失，由于回复α相内的位错密度明显降低重新排列成二维位错网络，将α相分割为压晶，还有一些已发生再结晶，位错密度十分低的α晶粒。此外，条状M3C已全部分解，形成较粗大的M23C6合金碳化物。而QR090钢经650℃回火后，由于马氏体分解，残余奥氏体转变及α相回复，再结晶的推迟，因此回火组织中仍可清晰地观察到马氏体板条、板条内有高密度位错，很多细小MC及M2C合金碳化物弥散地析出于位错线(区)(图3(略))，在马氏体板条间还有条间残余奥氏体(图4(略))。

　　4 分析与讨论

　　1)QR090钢与8407钢相比，降低了含Cr量，提高了含Mo量，可有效地提高在高温回火阶段的回火稳定性，并赋予QR090钢以更高热强性、热疲劳抗力，可以使用于工作温度更高、负荷更大，频率更快的热作模具，它是比5%Cr系8407(H13)钢性能档次更高的热作模具钢。

　　2)8407(H13)钢含5%Cr，是以Cr为主要合金元素的热作模具钢，经淬火650℃高温回火后，马氏体已分解完毕，α相发生回复、再结晶，马氏体板条消失，析出的主要是M23C6特殊碳化物，它是通过原位转变而形成。即先形成亚稳定(FeCr)3C，在回火过程中Cr向(FeCr)3C富集，逐步转变为(FeCr)7C，Cr再进一步富集，则转变为(FeCr)23C6，，因此，(FeCr)23C6碳化物一般较粗大，且M23C6的稳定性低、易聚集长大，回火稳定性作用较弱[6]。

　　3)与8407钢相比，QR090钢中由于含Cr量降低，含Mo量升高，因此高温回火时形成更多MC，M2C，其形成途径是独立形核长大，即直接从α相中析出MC、M2C特殊碳化物，同时伴有合金渗碳体M3C的溶解，由于Mo、V等元素扩散能力很低，新形成的碳化物弥散度很高，析出于位错区且不易聚集。Mo、V等元素推迟了淬火钢马氏体分解及残余奥氏体转变，高度弥散的合金碳化物MC、M3C析出于位错线(区)，又与α相保持共格联系，阻碍了α相的回复与再结晶，因而在QR090钢650℃的回火组织中仍能观察到高位错的板条马氏体及条间残余奥氏体。上述组织状态具有高的回火稳定性[7]。

　　综上分析，可见与8407钢相比，由于QR090钢在合金设计时，优化了合金元素的配比，使碳和碳化物形成元素(Cr、Mo、V)得到平衡，产生一种很有效且稳定的沉淀硬化相(主要由MC、M2C所组成)，这种回火组织赋予了它高的回火稳定性。

　　5 结论

　　1)QR090钢与8407钢回火曲线对比表明：QR090钢二次硬化峰值硬度低于8407钢，但其二次硬化峰值的温度较高，而高于二次硬化峰温度回火时硬度下降却较缓慢，当回火温度高于600℃时，其硬度高于8407钢。因此，在高温回火阶段，它的回火稳定性优于8407钢。

　　2)对回火稳定性起主要作用的是弥散细小的合金碳化物MC、M2C，在QR090钢650℃回火组织中的板条马氏体内仍有弥散分布的细小碳化物MC、M2C，而在8407钢的回火组织却只有较粗大的M23C6碳化物。

　　3)在QR090钢650℃回火组织中仍可观察到高位错密度的板条马氏体及条间残余奥氏体，而在8407钢中却已无板条马氏体和条间残余奥氏体，这表明QR090钢的合金元素优化配比，大大延迟了板条马氏体分解、残余奥氏体转变以及α相的回复、再结晶，从而抑制了钢硬度、强度的降低，增高了钢的回火稳定性。

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