淬火温度对30Cr13模具钢组织与耐蚀性的影响

ＤＯＩ ： １０．１１９７３ ／ ｆｓｙｆｈ － ２０１８０４００９淬火温度对 ３０Ｃｒ１３ 模具钢组织与耐蚀性的影响邢 珂，云 璐（内蒙古机电职业技术学院 冶金与材料工程系d2模具钢回火温度，呼和浩特０１００７０ ）摘 要：在不同温度下对３０Ｃｒ１３模具钢进行了淬火；通过 Ｘ射线衍射（ ＸＲＤ ）、扫描电子显： ＴＧ２４９ 文献标志码： Ａ 文章编号：１００５ － ７４８Ｘ （ ２０１８ ） ０４ － ０２８９ － ０５ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＱｕｅｎｃｈｉｎｇ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＤｉｅＳｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ＸＩＮＧＫｅ ， ＹＵＮＬｕ（ ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｓ ， Ｈｕｈｅｈａｏｔｅ０１００７０ ， Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｕｎｄｉｓｓｏｌｖｅｄｃａｒｂｉｄｅｓ ， ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ３０Ｃｒ１３ｄｉｅｓｔｅｅｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙ Ｘｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ （ ＸＲＤ ）， ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ ＳＥＭ ）， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ ＴＥＭ ） ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｎｎｅａｌｅｄｓｔｅｅｌｗａｓｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｆｅｒｒｉｔｅ ， ａｎｄｔｈｅｑｕｅｎｃｈｅｄｄｉｅｓｔｅｅｌｗａｓｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ， ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｌａｒｇｅｕｎｄｉｓｓｏｌｖｅｄＭ ２３ Ｃ ６ ｃａｒｂｉｄｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｔｈｅｄｉｅｓｔｅｅｌｄｅｃｒｅａｓｅｄ ， ａｎｄｔｈｅｃａｒｂｉｄｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｂａｓｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｍａｔｒｉｘｗｈｅｎｔｈｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅａｃｈｅｄ１１３０ ℃．Ｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｆｉｌｍｗａｓｔｈｉｃｋｅｒｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ｉｎｑｕｅｎｃｈｅｄｓｔａｔｅｔｈａｎｉｎａｎｎｅａｌｅｄｓｔａｔｅ ， ａｎｄｉｔｓｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍａｔｒｉｘｗａｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｔｏｔｈｅｍａｔｒｉｘｏｆｔｈｅａｎｎｅａｌｅｄｄｉｅｓｔｅｅｌ．Ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｅｓｔｅｅｌｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｃａｒｂｉｄｅｃｏｎｔｅｎｔｉｎｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｅｓｔｅｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ： ａｎｎｅａｌｉｎｇ ； ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ； ｄｉｅｓｔｅｅｌ ； ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ； ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 塑料是现代社会的基础材料，主要采取模具压制成型的方法制造，然而模具钢易于在运转和使用过程中出现破损，导致失灵 ［１ ］ 。

材料含量、使用环境、热处理状态等原因都会影响模具钢耐蚀性 ［２ ］ 。其中，热处理工艺不当是造成模具钢失效的重要因素。目前，关于热处理对制件钢耐蚀性的影响以及收稿日期： ２０１６ － ０９ － １５通信作者：邢 珂（ １９８３－ ），讲师，硕士d2模具钢回火温度，主要从事材料成型及热处理控制研究工作， ０４７１ － ５２７９０８４ ，２４３４６４７７０８＠ｑｑ．ｃｏｍ的研究相对较少 ［３ － ４ ］ 。本工作选择３０Ｃｒ１３模具钢为研究对象，研究奥氏体化温度对其组织演变和耐蚀性的妨碍，并分析了其在氯离子环境中的腐蚀特性，期望为马氏体型不锈钢模具提供更改进的热处理工艺。１ 试验１．１ 试样制备实验钢采用电渣重熔工艺制造的３０Ｃｒ１３模具钢，交货前经过了锻造和烧结处理，具体化学成分如·９ ８ ２·第３９卷 第４期２０１８年４月腐蚀与防护ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＶｏｌ．３９Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ２０１８表１所示。将退 火 态 ３０Ｃｒ１３ 模 具 钢 切 割 成 ５０ ｍｍ×２５ｍｍ×１０ｍｍ 的片状试样。对试样表面进行抛光、清洗吹干后，涂覆一层热处理保护剂以避免脱碳。

采用分段加热的方式将试样依次加热至６４０℃和８４０℃ ，分别保温１２ｍｉｎ ；再对试样进行淬火处理，即在 ＮａｂｅｒｔｈｅｒｍＬＨ１５型热处理炉中将试样加热至奥氏体化温度并保温 ３５ ｍｉｎ ，然后油浴冷却。奥氏体化温度即淬火温度分别为９８０ ， １０３０ ，１０８０ ， １１３０℃ 。表１３０Ｃｒ１３模具钢的化学成分（质量分数）Ｔａｂ．１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ （ ｍａｓｓ ）％ＣＳｉ ＭｎＣｒＶＰＳＦｅ０．３３ １．０２ ０．５８ １３．０ ０．２８ ０．００４ ０．００８余量１．２ 试验步骤采用帕纳科 Ｅｍｐｙｒｅａｎ 锐影 Ｘ 射线衍射系统（ ＸＲＤ ）以步长 １ （° ）／ ｍｉｎ 、 ４０°～９０° 连续扫描模式对３０Ｃｒ１３模具钢进行物相分析，同时以步进扫描模式得到了模具钢中 Ｍ ２３ Ｃ ６ 碳化物的衍射谱。硬度测试在意大利 ＡＦＦＲＩ２０６ＭＸ 型洛氏硬度计上进行。３０Ｃｒ１３模具钢经机械打磨和研磨后，在２５ｍＬ硝酸＋２５ｍＬ盐酸＋５０ｍＬ去离子水混合溶液中溶化，再经清水清洗和吹干，然后在 ＴＥＳＣＡＮＶＥＧＡ３Ｉｎ －ｄｕＳ扫描电子显微镜（ ＳＥＭ ，附带 ＯＸｆｏｒｄＥＤＳ能谱）上进行宏观形貌观察和探讨。

将 ３０Ｃｒ１３ 模具钢预磨至表层粗超度６０ μ ｍ 后，冲压成 ３ｍｍ 圆片，在－３５℃ 、 ５％ （质量分数）高氯酸酒精溶液中进行双喷离子减薄，制备得到散射电镜试样。然后，通过ＪＥＯＬ －２０１０型 透 射 电 子 显 微 镜 （ ＴＥＭ）对３０Ｃｒ１３模具钢中析出相的形貌和结构进行观察与探讨。电化学性能检测在ＩＥ６．０型电化学工作站中进行，并采取标准三电极体系：辅助电极为玻璃镶嵌铂片；参比电极为饱和甘汞电极（ＳＣＥ ）；工作电极为３０Ｃｒ１３模具钢。工作电极的制取：先将３０Ｃｒ１３模具钢加工成１０ｍｍ×１０ｍｍ 的，并与铜导体焊接，再用环氧树脂涂封，然后依次经过粗磨、细磨和打磨后冲洗吹干备用。电解液为３．５％ （质量分数，下同） ＮａＣｌ溶液，扫描速率为１０ｍＶ ／ ｍｉｎ ，起始电位（相对于开路电位）为－５００ｍＶ ，电化学阻抗谱测试速率为１０－２ ～１０５Ｈｚ 。２ 结果与探讨２．１ 组织结构对退火态和不同温度淬火态 ３０Ｃｒ１３ 模具钢进行了 ＸＲＤ 分析，结果如图 １ 所示。 由图 １ （ ａ ）可见：连续扫描模式下，各热处理态３０Ｃｒ１３ 模具钢 ＸＲＤ 谱中出现的衍射峰主要为体心立方（ ＢＣＣ ）结构的 α－ Ｆｅ 衍射峰，且随着奥氏体化温度的下降，还发生了面心立方（ ＦＣＣ ）结构的 γ －Ｆｅ衍射峰，只是各衍射峰的硬度存在一定差距。

由于３０Ｃｒ１３模具钢中马氏体和铁素体的晶胞常数相差较小（约为 １０－４ ～１０ －５ｎｍ ），因此不能单凭 ＸＲＤ 谱来区分退火态和回火态 ３０Ｃｒ１３ 模具钢的组织变化。由表 ２ 所示的强度检测结果推测：退火态 ３０Ｃｒ１３ 模具钢的强度为 ２２．７ＨＲＣ ，远小于淬火态 ３０Ｃｒ１３ 模具钢的强度（５６．８～５９．１ＨＲＣ ）。由 ＸＲＤ 谱结合强度检测结果推测：退火态３０Ｃｒ１３模具钢的组织主要为铁素体；淬火态３０Ｃｒ１３模具钢组织主要为马氏体，并带有一定的 γ － Ｆｅ奥氏体。由图１（ ｂ ）可见：步进扫描模式下，９８０℃淬火（ ａ ） 连续扫描 （ ｂ ） 步进扫描 图１两种扫描模式得到的不同热处理态３０Ｃｒ１３模具钢的 ＸＲＤ谱Ｆｉｇ．１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔ － ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｔａｔｅｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｃａｎｎｉｎｇ （ ａ ）ａｎｄｓｔｅｐ ｓｃａｎｎｉｎｇ （ｂ ）·０ ９ ２·邢 珂，等：淬火温度对３０Ｃｒ１３模具钢组织与耐蚀性的妨碍表２不同热处理态３０Ｃｒ１３模具钢的强度Ｔａｂ．２Ｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔ － ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｔａｔｅｓ热处理状态 退火态淬火态９８０℃ １０３０℃ １０８０℃ １１３０℃硬度／ ＨＲＣ ２２．７５７．３ ５９．１５８．７ ５６．８态和１０３０℃淬火态３０Ｃｒ１３模具钢的 ＸＲＤ谱中发生了（４４０ ）和（ ５３１ ）晶面的 Ｍ ２３ Ｃ ６ 碳化物衍射峰，衍射角度分别为４８．５０°和５０．７４° ，利用Ｊａｄｅ５分析工具拟合结果推算得到 Ｍ ２３ Ｃ６ 碳化物的晶胞常数 ａ值约为１．０６３ｎｍ ，与ＢＩＥＳＴ［ ５ ］ 报道的 Ｍ２３ Ｃ ６ 碳化物晶格常数相比，发生微小偏离。

这或许与 Ｆｅ固溶于 Ｍ２３ Ｃ ６ 碳化物引起的晶格畸变有关。 用扫描电镜及其附带的能谱 仪 观察退 火态３０Ｃｒ１３ 模具钢的显微组织和组织中碳化物的化学成分，结果如图 ２ 所示。由图 ２ （ ａ ）可见： ３０Ｃｒ１３ 模具钢组织中存在颗粒状碳化物，尺寸为 １～２ μ ｍ 的状氧化铝主要沿着铁素体晶粒边界分布，而重量为０．２～０．５ μ ｍ 的碳化物数量众多，且主要分布在铁素体晶粒内部。 ＸＲＤ 分析结果证实，这些碳化物为Ｍ２３ Ｃ ６ 型碳化物，结合图 ２ （ ｂ ）能谱线扫描分析结果（ ａ ） 显微组织（ ｂ ） 碳化物能谱分析结果图２退火态３０Ｃｒ１３模具钢的显微组织及其碳化物能谱分析结果Ｆｉｇ．２Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｎｎｅａｌｅｄｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ （ ａ ）ａｎｄｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃａｒｂｉｄｅｓ （ｂ ）可知，这种 Ｍ ２３ Ｃ ６ 型碳化物为富Ｃｒ的碳化物。用扫描电镜观察不同温度淬火态３０Ｃｒ１３模具钢的显微组织，结果如图３所示。由图３可见：不同温度退火处理后，３０Ｃｒ１３模具钢组织都由铁素体转变为板条马氏体，与退火态３０Ｃｒ１３模具钢组织相比，碳化物颗粒的总量显著提高；当淬火温度低于１１３０℃时，３０Ｃｒ１３模具钢基体组织中依然有必定数量的碳化物，但是随着退火温度的下降，碳化物颗（ ａ ） ９８０℃（ ｂ ） １０３０℃（ ｃ ） １０８０℃（ ｄ ） １１３０℃图３不同温度淬火态３０Ｃｒ１３模具钢的显微组织Ｆｉｇ．３ＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆｑｕｅｎｃｈｅｄｄｉｅｓｔｅｅｌ３０Ｃｒ１３ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ·１ ９ ２·邢 珂，等：淬火温度对３０Ｃｒ１３模具钢组织与耐蚀性的影响粒的总量逐步提高，且当淬火温度达到１１３０℃时，碳化物颗粒基本晶粒于壳体中。

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