淬火温度对模具钢组织与硬度的影响
热作模具在工作过程中既受到挤压、磨损的作用又受到冷热交替的作用，服役条件十分恶劣，因此对模具材料综合性能的要求十分严格。当前应用广泛的热作模具钢为H13模具钢，H13钢作为马氏体模具钢具有良好的力学性能和热疲劳性能，在压铸模、热挤压模等领域应用十分广泛。但H13钢存在工作温度不能超过600 ℃、耐磨性不高等不足，使其越来越难以满足现代制造业快速发展的要求，因此，需不断探索综合性能优良的高端模具材料。国内外学者进行了大量的研究，如在H13模具钢基础上进行“降硅增钼”，开发出Dievar高性能热作模具钢，该钢具有良好的抗热疲劳龟裂、抗热冲击开裂和耐热磨损性能。按照“高硅低铬高钼”理念开发出HOTVAR高寿命模具钢，该钢具有极佳的红硬性和耐热磨损性能。另外，还有W302、W403等Ｗ系优质模具钢，以其极高的高温强度和耐磨性能日益受到亲睐。
W与Mo在钢中形成的碳化物类型相同且原子半径接近，在模具钢中加入Ｗ可以进一步提高模具钢的强度和耐磨性能，提升模具钢的综合性能。4Cr4Mo3W2V1钢是在H13模具钢基础上，调整优化元素含量，并适量添加Ｗ 元素而开发出的一种新型热作模具用钢。本研究对4Cr4Mo3W2V1钢进行不同温度的淬火处理，根据组织观察与硬度测试结果确定其理想的淬火工艺，为新型热作模具钢的开发提供理论借鉴。
试验材料与方法
试验用4Cr4Mo3W2V1模具钢按照设计成分通过中频感应炉冶炼后电渣重熔，然后进行锻造，始锻温度1100～1150℃，终锻温度950～1000 ℃，为消除锻造过程中产生的应力，锻后需进行800℃保温10ｈ的退火处理，并随炉冷却。以直读光谱仪测其化学成分如表1所示。
采用箱式电阻炉对4Cr4Mo3W2V1钢进行不同温度的淬火处理，淬火温度选择为990、1010、1030、1050和1070 ℃，保温时间为30min，冷却方式为油冷。
线切割微观组织观察试样，试样经水砂纸打磨后抛光表面，采用5％ 硝酸酒精溶液腐蚀试样表面10s左右，清洗吹干试样表面后，利用Leica DMI 光学显微镜和S-4300型扫描电镜观察微观组织形貌。采用Image-Pro Plus 软件计算统计不同温度淬火4Cr4Mo3W2V1钢的平均晶粒尺寸及碳化物体积分数。
按GB/T230.1-2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》在TH300型洛氏硬度计上进行硬度测试，测试７ 个硬度点取平均值。
试验结果与分析
2.1 微观组织
不同温度淬火态4Cr4Mo3W2V1模具钢的显微组织如图1所示，平均晶粒尺寸如图2所示。由图1可知，淬火态4Cr4Mo3W2V1钢组织主要为马氏体、贝氏体以及未溶碳化物。随着淬火温度的升高，4Cr4Mo3W2V1钢的晶粒尺寸不断增加， 淬火温度≤1050℃ 时，晶粒尺寸增长并不明显，当淬火温度达到1070℃，晶粒尺寸增加显著。990℃淬火时，组织中有大量碳化物存在，这些未溶的碳化物对晶界的钉扎作用可以限制晶界的迁移，阻碍晶粒长大，因此990℃淬火4Cr4Mo3W2V1钢的晶粒细小，晶界不很清晰。
淬火温度升高到1010、1030℃时，4Cr4Mo3W2V1钢中有部分碳化物溶入基体，碳化物减少，对晶界阻碍作用也减弱，因此4Cr4Mo3W2V1钢的晶粒有所长大，晶界变得清晰，此时组织中仍有相当数量的碳化物未溶入基体，仍对晶界迁移有所限制，所以1010、1030℃淬火4Cr4Mo3W2V1钢的晶粒尺寸增加并不明显。淬火温度继续升高到1050℃时，绝大部分碳化物溶入基体，组织中仅有少量碳化物存在，晶粒进一步长大。淬火温度继续升高到1070℃时，碳化物已基本溶入基体，阻碍晶粒长大效果也明显降低，因此晶粒出现明显长大。
不同温度淬火态4Cr4Mo3W2V1模具钢的SEM组织如图3所示。从图３ 可更为清楚地观察到随着淬火温度的升高，4Cr4Mo3W2V1钢中碳化物数量逐渐减少，板条马氏体板条宽度逐渐增加。图4定量测量了淬火态4Cr4Mo3W2V1模具钢组织中碳化物体积分数。由图4可知，990℃淬火时，4Cr4Mo3W2V1钢组织中碳化物体积分数为1.95％ ，随着淬火温度的升高，碳化物体积分数不断减少。当淬火温度达到1050℃时，碳化物已基本溶入基体，碳化物体积分数为0.41％。当淬火温度达到1070℃ 时，碳化物体积分数进一步减少到0.19％。
不同温度淬火态4Cr4Mo3W2V1模具钢的硬度如图5所示。由图5可知，随着淬火温度的升高，淬火态4Cr4Mo3W2V1钢的硬度呈先升高后降低的趋势。990℃淬火时，4Cr4Mo3W2V1钢的硬度最低，为56.5 HRC。当淬火温度达到1050℃时，硬度达到最大值61.4 HRC。淬火温度继续升高到1070℃，硬度开始下降，硬度值为60.2 HRC。由4Cr4Mo3W2V1钢微观组织观察结果可知，随着淬火温度的升高，组织中碳化物越来越多地溶入基体，晶粒尺寸不断增加。碳化物溶入基体带来的固溶强化效果和晶粒长大带来的软化作用共同影响其硬度，当在990～1050℃ 温度区间淬火处理时，4Cr4Mo3W2V1钢中越来越多的碳化物不断溶入基体，但其晶粒尺寸增加并不明显，此时固溶强化作用起主导作用，因此
4Cr4Mo3W2V1钢的硬度不断增加。结论 1) 淬火态4Cr4Mo3W2V1钢的组织主要为马氏体、贝氏体以及未溶碳化物，随着淬火温度的升高，4Cr4Mo3W2V1钢的晶粒尺寸不断增加，组织中碳化物越来越多地溶入基体，数量不断减少。1050 ℃ 淬火时，组织中碳化物基本溶入基体，碳化物体积分数为0.41％，平均晶粒尺寸为24.3μｍ，未明显长大。淬火温度达到1070℃时，组织中碳化物体积分数进一步减少，晶粒明显长大。 2) 随着淬火温度的升高，淬火态4Cr4Mo3W2V1钢的硬度先升高后降低。990 ℃ 淬火时，4Cr4Mo3W2V1钢的硬度最低，为56.5 HRC，1050℃淬火时， 硬度最高， 为61.4 HRC。1050 ℃ 为4Cr4Mo3W2V1钢的理想淬火温度。
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