退火工艺对D2组织与性能的影响
2018-09-26

D2钢是一种高碳高铬莱氏体型冷作模具钢，其特点是含碳量高、合金元素多，钢中存在大量的碳化物，脆性大，变形抗力大，锻造温度范围较窄，脱碳倾向大；具有高硬度、高耐磨性、良好韧性及优良的抗变形性能。由于该钢中存在大量的碳化物，且偏析严重，因此不同的热处理工艺对钢的性能有很大的影响。本项目通过对比研究预冷球化退火工艺与常规球化退火工艺，分析不同热处理条件下，D2钢的组织性能变化。

试验钢的化学成分如表1 所示，由表1可知，实测含量与D2（Cr12MoVCo）钢含量有较大不同，最明显的是Si含量高，达到1.1%，还加入了一定量的合金元素W，同时Cr含量有所降低。Cr含量降低的作用是减少Cr的粗大共晶碳化物；Si的作用是强化基体，弥补碳化物的不足；W的作用是提高试验钢的热稳定性。
表1  试验D2钢的化学成分（质量分数，%）
材料
C
Si
Mn
Cr
Mo
V
Ni
Co
S
P
W
设计含量
1.3～1.4
0.5～0.7
0.4～0.5
11
～
13
1.0～1.2
0.8～1.0
0.3～0.5
0.4～0.5
≤0.02
≤0.03
 
实测含量
1.37
1.1
0.37
10.98
0.8
0.81
0.36
0.32
0.018
0.021
0.33
 
将棒材线切割加工成10mm×10mm×10mm的小试样若干，采用实验室马弗炉进行球化退火试验。对于D2型冷作模具钢的奥氏体化温度要选择在Ac1温度附近，实测该试验钢的Ac1温度为827℃，由于钢中含有大量呈断续分布的共晶碳化物，可适当提高奥氏体化温度，促进碳化物的溶解，使得在等温球化时基体中有足够的合金元素能从基体中析出球化。
将试样分成6组，分别加热至780、820、860、900、940、980℃等不同温度保温15min，出炉水冷至400℃，之后迅速放入730℃的马弗炉中保温30、60、90、120min，之后出炉空冷。常规球化退火工艺为：选择退火温度为860℃，保温时间1h，冷却时选择在珠光体转变区转变时间最短的温度740℃左右等温球化，可以较快完成转变，保温时间为6h，炉冷至500℃，出炉空冷。
利用HR150型洛氏硬度计测试不同预冷球化退火温度下试样的硬度值。采用ZESS Axioplan 2多功能金相显微镜对试验钢的退火组织进行观察。通过Nova 400 Nano SEM场发射扫描电子显微镜对最优预冷球化退火工艺及常规球化退火工艺处理后的试验钢样品进行SEM-EDS分析。结果表明：
（1）预冷球化退火的最优工艺为在860℃保温15min，水冷至400℃，立即在730℃保温60～90min，最后出炉空冷。其材料硬度低于最优常规球化退火硬度，并且组织中的粒状碳化物更细小，分布更均匀，大大缩短退火处理时间。
（2）当730℃等温时间达到120min以上时，粒状碳化物逐渐长大，颗粒粗化。
（3）退火组织中主要存在两相，即铁素体基体相和M7C3型碳化物相，块状碳化物和灰色粒状一次碳化物为含较少量V、Mo、W、富Cr的M7C3型碳化物；白色粒状二次碳化物主要为球化工艺析出的含W、Mo较多的M7C3型碳化物。