不同冷作模具钢典型热处理后的残余奥氏体及其对冲击韧性和尺寸稳定性的影响

冷作模具是在室温下对金属或非金属材料进行压力或其他加工，使材料产生塑性变形而分离的模具，包括冷冲压模具、冷挤压模具、拉伸模具、弯曲模具和切边模具等。 ，广泛应用于汽车、电子、军工、航空航天等领域。 冷作模具在使用过程中由于受到各种力的作用，容易发生过载失效、磨损失效或疲劳失效。 因此，冷作模具钢在热处理后应具有高承载能力、高耐磨性和高疲劳抗力，以保证冷作模具的耐用性。 目前有日本DAIDO公司生产的DC53冷作模具钢（以下简称DC53钢）、我国抚顺钢铁生产的Cr8Mo2SiV冷作模具钢（以下简称Cr8Mo2SiV钢）、Calmax冷作模具钢（以下简称Calmax冷作模具钢）。以瑞典ASSAB公司生产的Cr8Mo2SiV钢（以下简称Calmax钢）为代表。

DC53钢多用于高精度冷冲压模具，具有高耐磨性、高硬度、高韧性。 热处理后其耐磨性和冲击韧性显着提高。 Cr8Mo2SiV钢被称为“国产DC53钢”。 是在仿制国外DC53钢的基础上改进的新型钢种。 其热处理后的综合性能在常用冷作模具钢中较好。 Calmax钢是一种高韧性、高耐磨性的模具钢。 具有良好的淬透性、抛光性和焊接性。 热处理时具有良好的尺寸稳定性，可用于厚板、拉伸和挤压冷作模具。 上述冷作模具钢的典型热处理工艺为：淬火（1030℃保温30分钟油淬）→520℃高温回火2次2小时（空冷）→400℃低温高温回火2小时（空冷）。

目前尚无冷作模具钢典型热处理后残余奥氏体含量及分布与冲击韧性和尺寸稳定性关系的文献报道。 也没有对不同产品之间的性能差异进行比较，导致模具企业无法选择合适的模具钢。 学者们为研究模具钢及模具钢热处理工艺提供参考资料。 因此，来自国家模具产品质量监督检验中心、天津职业技术师范大学、广东（东莞）材料遗传学研究所、华南理工大学的吴正焕、谷立文、黄立峰等研究人员选取了具有代表性的冷国内外的工作方法。 模具钢通过相同的热处理工艺，重点分析残余奥氏体含量及分布、冲击韧性及尺寸稳定性的变化规律，构建残余奥氏体含量及分布及尺寸稳定性的数学预测模型，为模具钢的残余奥氏体含量及分布及尺寸稳定性提供依据。为模具钢的应用和研究提供参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验材料为DC53钢、Cr8Mo2SiV钢和Calmax钢，试样状态为退火状态。

1.2 测试方法

取出DC53钢材，用线切割机切出两个50mm×50mm×50mm的样块，以及长度分别为50mm和52mm的两个样块（尺寸样品）。 将上述样块放入热处理炉中进行热处理。

其中，50mm×50mm×50mm的样块1块和52mm长度的样块1块加热至1030℃并保温30分钟，取出油淬； 然后在520℃回火并保持2小时，空冷至30℃，然后在此高温下回火空冷过程重复2次。 将热处理后的50mm×50mm×50mm样品块线切割成3个20mm×20mm×4mm样品，高度为0mm（外表面）、12.5mm高度（1/4高度）和25mm高度（中心）。 使用金属抛光机将这三个样块抛光至镜面。 X射线衍射仪根据ASTM E975-2013和GB/T 7704-2017标准对残余奥氏体进行定量测定。 使用超高精度三维坐标测量仪对52mm长度样品同一位置的尺寸稳定性进行五次测量，取平均值，间隔0、40、80、120后重复测量和 260 天。

将剩余的1个50mm×50mm×50mm的样品块和1个50mm长度的样品块加热至1030℃并保持30分钟。 取出油，淬火； 然后在520℃回火并保温2小时，空冷至30℃。 此高温重复两次回火和空冷过程； 然后在400°C回火2小时并空冷至30°C。 热处理后，在热处理后的50mm×50mm×50mm样块外表面上切出3个20mm×20mm×4mm样块，高度分别为12.5mm、25mm。 使用金属抛光机对三个样品块进行研磨和抛光。 到镜面。 使用X射线衍射仪测试不同位置的残余奥氏体。 使用超高精度三维坐标测量仪对50mm长度样块在同一位置测量5次尺寸稳定性，取平均值，间隔0、40、80后重复测量、120 和 260 天。 Cr8Mo2SiV钢样和Calmax钢样的试验方法同上。

DC53钢经1030℃油淬、520℃回火、空冷两次后，在外表面、12.5mm高度和25mm高度处制备的花键数分别为A0、A1和A2，尺寸试样数为A3； DC53钢经1030℃油淬、400℃低温回火、空冷两次后，在外表面、12.5mm高度和25mm高度处制备的花键数分别为a0、a1和a2，尺寸试样数是a3； Cr8Mo2SiV钢对应的8个花键号分别为B0、B1、B2、B3、b0、b1、b2、b3； Calmax 钢对应的 8 个花键编号为 C0、C1、C2、C3、c0、c1、c2、c3。

2 测试结果与讨论

2.1

残余奥氏体含量

图1和图2显示了样品A0、A1、A2、B0、B1、B2、C0、C1、C2和a0、a1、a2、b0、b1、b2、c0、c1、c2的XRD谱。

图1 三种冷作模具钢520℃高温回火后不同位置的XRD谱

图2 三种冷作模具钢400℃低温回火后不同位置的XRD谱

根据ASTM E975-2013，通过测量每个XRD谱图在6个衍射峰处的峰强度：γ(111)、α(110)、γ(200)、α(200)、γ(220)、α(211)通过统计和计算，得到了三类模具钢在不同热处理工艺下的残余奥氏体含量（体积分数）和分布。 详细信息请参见表 1。

表1 三种冷作模具钢不同位置的残余奥氏体含量（体积分数）

从表1可以看出：

①无论是520℃高温回火后还是400℃低温回火后，对于三类冷作模具钢来说，越靠近中心，残余奥氏体含量越高。 其原因是残余奥氏体一般沿铁素体晶界分布或存在于大铁素体晶粒内部。 越靠近样品中心，铁素体晶粒尺寸越小，晶界越致密。 弥散的奥氏体块体晶粒越小，越致密。

②DC53钢和Cr8Mo2SiV钢的平均残余奥氏体含量比较接近，而Calmax钢的残余奥氏体含量远低于前两者。 原因是前两者碳化物含量较高，是淬火后生成残余奥氏体的必要条件，而Calmax钢碳化物含量极低，很难生成残余奥氏体。

③三种冷作模具钢经过520℃高温回火后的残余奥氏体含量远低于400℃低温回火后的残余奥氏体含量。 其原因是，随着回火温度降低，回火后碳化物析出增多，导致大量残余奥氏体转变并粘附在碳化物周围。

2.2

冲击吸收能量

图3和图4为三种冷作模具钢经520℃高温回火和400℃低温回火后垂直轧制方向和沿轧制方向的冲击能量吸收比较。

图3 三种冷作模具钢520℃高温回火后的冲击吸收能

图4 三种冷作模具钢400℃低温回火后的冲击吸收能

从图3和图4可以看出，经520℃高温回火后，Calmax钢的平均冲击吸收功分别是DC53钢和Cr8Mo2SiV2钢的7.2倍和6.0倍； 经过400℃低温回火后，Calmax钢的冲击吸收功平均值分别是DC53钢和Cr8Mo2SiV2钢的12.6倍和4.8倍。 520℃高温回火后的试样冲击吸收功低于400℃低温回火后的冲击吸收功。 Cr8Mo2SiV钢和Calmax钢400℃低温回火后的平均冲击吸收功是520℃高温回火后的2.3%。 倍和1.8倍。

DC53钢和Cr8Mo2SiV钢都是通过增加残余奥氏体含量来达到回火后增加冲击吸收能的目的，对应图3和图4。Calmax钢的残余奥氏体含量极低，但其冲击吸收能却多高于DC53钢和Cr8Mo2SiV钢。 主要原因是其化学成分含碳量较少，淬火后生成的碳化物含量极低。 比较纯净。

2.3

尺寸稳定性

图5和图6分别为三种冷作模具钢样品经过520℃高温回火和400℃低温回火后0、40、80、12和260天后的尺寸稳定性曲线。

图5 三种冷作模具钢试样520℃高温回火后的尺寸变化

图6 三种冷作模具钢样品经400℃低温回火后的尺寸变化

从图5和图6可以看出，无论采用哪种回火温度，DC53钢和Cr8Mo2SiV钢试样均呈现出随时间增加尺寸逐渐增大的过程，且均在260 d时达到峰值。 Calmax钢在400℃低温回火后也表现出这种特性，但在520℃高温回火后表现出尺寸逐渐减小。 从曲线走势来看，虽然曲线在260d达到峰值，但也出现了趋平的迹象。 DC53钢和Cr8Mo2SiV钢试样尺寸呈现这种趋势的主要原因可能是回火后生成的残余奥氏体缓慢转变为马氏体。 由于前者的密度高于后者，因此会导致体积（长度）膨胀。 Calmax钢的残余奥氏体含量极低，且呈现的曲线趋势不清晰，难以判断其对尺寸的影响。

2.4

尺寸预测模型

根据图5和图6所示的尺寸变化曲线，研究人员试图对不同模具钢样品在不同热处理工艺下的尺寸变化模式进行数学建模，并预测其尺寸变化趋势。

根据质量守恒定律，无论晶体结构和尺寸稳定性如何变化，样条的质量保持不变。 研究人员引入平均密度ρt的概念，建立了残余奥氏体体积转变率αAM与长度lt之间的数学模型。 尺寸样本长度lt远远超过宽度wt和高度ht，因此宽度wt和高度ht被忽略。

将不同阶段的Vγ和lt数据代入式（1）和式（2），可得到αAM和lt之间的数学模型如下：

DC53钢520℃回火：

Cr8Mo2SiV钢520℃回火：

Calmax 钢在 520°C 下回火：

DC53钢400℃回火：

Cr8Mo2SiV钢400℃回火：

Calmax 钢在 400°C 下回火：

Calmax钢的残余奥氏体含量较低，很难对尺寸变化产生决定性影响。 同时，其规模变化规律并不明显。 图5和图6中，C3和c3的变化趋势不同，因此没有给出其大小。 预测数学模型。

3 结论

(1) DC53钢和Cr8Mo2SiV钢经1030℃淬火和520℃高温回火后，残余奥氏体含量远高于Calmax钢； 而400℃低温回火后3种钢的残余奥氏体含量较高温回火后分别增加了41.3%、56.8%和10.7%。 每个样品中残余奥氏体的分布一般遵循从外表面到1/4向中心从低到高再到低的模式。

(2)Cr8Mo2SiV钢和Calmax钢400℃低温回火后的平均冲击吸收功分别是520℃高温回火后的2.3倍和1.8倍。 经过520℃高温回火后，Calmax钢的平均冲击吸收功是DC53钢和Cr8Mo2SiV钢的7.2倍和6.0倍； 经过400℃低温回火后，Calmax钢的平均冲击吸收功与DC53钢和Cr8Mo2SiV钢相当。 12.6倍和4.8倍。

(3) 经过520℃高温回火和400℃低温回火后，DC53钢和Cr8Mo2SiV钢的尺寸变化过程均呈现近似线性增加，而Calmax钢经过高温回火后尺寸先减小后增大。 520℃回火温度。 400℃低温回火后也近似线性上升。 DC53钢、Cr8Mo2SiV钢和Calmax钢经520℃高温回火后尺寸波动分别为4.40、2.95和3.54μm； DC53钢、Cr8Mo2SiV钢和Calmax钢经过400℃低温回火后尺寸波动分别为3.34。 ，0.49，1.08μm。

作者：吴正焕1,2、谷丽文1、黄立峰1、李荣峰3、阮峰4、邱华兴1,2、范启祥2、王泉2

单位：1．国家模具产品质量监督检验中心； 2. 天津职业技术师范大学机械工程学院; 3. 广东（东莞）材料遗传学研究所； 4.华南理工大学机械与汽车工程学院

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