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        碳含量對4Cr5Mo2V熱作模具鋼顯微組織及熱穩(wěn)定性的影響

        2020-08-22 07:27:58孫立國健2殷軍偉2遲宏宵2
        機(jī)械工程材料 2020年8期

        孫立國,周 健2,殷軍偉2,遲宏宵2,祁 勇

        (1.撫順特殊鋼股份有限公司,撫順 113001; 2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所,北京 100081)

        0 引 言

        4Cr5Mo2V鋼采用低硅高鉬的合金化思路研發(fā),其沖擊韌性較高,廣泛應(yīng)用于長壽命壓鑄件及部分熱鍛模具。當(dāng)服役溫度低于600 ℃時,4Cr5Mo2V鋼具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗冷熱疲勞性和強(qiáng)韌性。但熱鍛模具一般直接與高溫液態(tài)或固態(tài)金屬接觸,型腔表面溫度可達(dá)650~680 ℃,同時還要承受沖擊載荷的作用,這就導(dǎo)致其在服役過程中會發(fā)生循環(huán)軟化,硬度不斷下降[1-2]。由硬度降低造成的型腔塌陷及變形是熱鍛模具的主要失效形式[3-4],進(jìn)一步提高4Cr5Mo2V鋼的高溫?zé)岱€(wěn)定性具有重要實(shí)際意義。合金碳化物的種類、數(shù)量、聚集長大程度及分布狀態(tài)對熱作模具鋼的熱穩(wěn)定性有重要影響[5],目前主要通過優(yōu)化合金元素成分(尤其是碳元素)和熱處理工藝進(jìn)行合金碳化物調(diào)控。然而,當(dāng)前研究工作主要集中在碳含量對H13鋼硬度、耐磨性及抗拉性能的影響方面,有關(guān)低硅高鉬鋼高溫?zé)岱€(wěn)定性的報(bào)道較少。為此,作者熔煉了不同碳含量4Cr5Mo2V鋼,并對其進(jìn)行鍛造和淬火+回火處理,研究了碳含量對其顯微組織、碳化物演變規(guī)律和熱穩(wěn)定性的影響,以期為新型高熱穩(wěn)定性熱作模具鋼的開發(fā)提供一定理論指導(dǎo)。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        1.1 試樣制備

        對4Cr5Mo2V鋼的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整,使其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別控制在0.35%~0.40%,0.45%~0.50%,0.70%~0.75%。按照電弧爐(EAF)熔煉、鋼包精煉(LF)、真空脫氣(VD)、電渣重熔(ESR)的順序冶煉鋼錠,然后進(jìn)行鍛造。始鍛溫度和終鍛溫度分別為1 120 ℃和920 ℃,鍛材截面尺寸為220 mm×150 mm。在880 ℃保溫4 h使其奧氏體化,最后在760 ℃等溫退火8 h。取樣測得試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。

        表1 4Cr5Mo2V鋼及3種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        圖1 3種試驗(yàn)鋼在1 030 ℃淬火30 min后的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of three test steels after quenching at 1 030 ℃ for 30 min: (a) test steel 1#; (b) test steel 2# and (c) test steel 3#

        截取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的試樣,采用表2所示的熱處理工藝將3種試驗(yàn)鋼的初始硬度調(diào)至5253 HRC。

        表2 3種試驗(yàn)鋼的熱處理工藝及硬度

        1.2 試驗(yàn)方法

        采用箱式爐進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為600,650 ℃,保溫時間分別為2,4,8,16,24 h。

        采用電火花線切割機(jī)在熱穩(wěn)定性試樣的1/4對角線處切取金相試樣。通過TIME TH300型洛氏硬度計(jì)測定硬度,加載載荷為1 500 N,保載時間為5 s。將熱處理試樣和熱穩(wěn)定性金相試樣打磨、拋光后,用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕,通過日立S-4300型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織,用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。通過HITACHI-H800型透射電鏡(TEM)觀察馬氏體板條形態(tài)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖1可以看出,3種試驗(yàn)鋼淬火后的基體組織均為板條馬氏體,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.47%(2#),0.71%(3#)的試驗(yàn)鋼中還存在未溶碳化物,未溶碳化物對晶界的釘扎作用能夠阻礙馬氏體板條粗化。

        根據(jù)3種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分,采用Jmat-pro熱力學(xué)軟件計(jì)算相圖,得到不同溫度下的碳化物含量。由圖2可知,試驗(yàn)鋼中均含有MC、M6C和M23C6型碳化物,且隨碳含量增加,碳化物的溶解溫度逐漸提高。在1#,2#,3#試驗(yàn)鋼中,MC型碳化物的溶解溫度分別為1 020,1 040,1 086 ℃,M6C和M23C6型碳化物的溶解溫度則均低于1 000 ℃。因此,在1 030 ℃淬火后,1#試驗(yàn)鋼中的碳化物完全溶解,2#和3#試驗(yàn)鋼中則形成顆粒狀MC型未溶碳化物,且3#試驗(yàn)鋼中未溶碳化物明顯多于2#試驗(yàn)鋼的。對2#和3#試驗(yàn)鋼中的未溶碳化物進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)其釩元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于40%,說明該碳化物為富釩的MC型碳化物。

        由圖3可以看出,淬火+回火后3種試驗(yàn)鋼的組織均由回火馬氏體和合金碳化物組成。對3種試驗(yàn)鋼中的碳化物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn),1#試驗(yàn)鋼中析出了少量M23C6二次碳化物,2#和3#試驗(yàn)鋼淬火形成的MC未溶碳化物在回火后保留下來,亦有少量M23C6碳化物析出,其中一處M23C6碳化物的EDS譜如圖3(d)所示。隨著碳含量增加,二次碳化物析出量增多。由于成分偏析,3#試驗(yàn)鋼中還出現(xiàn)了M23C6碳化物的偏聚現(xiàn)象。

        圖2 3種試驗(yàn)鋼中不同碳化物含量隨溫度的變化曲線Fig.2 Variation curves of different carbides content vs temperature in three test steels

        圖3 淬火+回火后3種試驗(yàn)鋼的SEM形貌及M23C6碳化物的EDS譜Fig.3 SEM morphology (a-c) and EDS pattern of M23C6 carbide (d) of three test steels after quenching and tempering:(a) test steel 1#; (b) test steel 2# and (c) test steel 3#

        由圖4可以看出,淬火+回火處理后的3種試驗(yàn)鋼在650 ℃保溫8,24 h后,碳化物大量析出并發(fā)生明顯粗化,保溫24 h后的碳化物尺寸要高于保溫8 h的。對比3種試驗(yàn)鋼組織可知,在相同保溫時間下,隨著碳含量的增加,MC型碳化物和M23C6型碳化物增多。M23C6型碳化物的熱穩(wěn)定性較差,在保溫過程中容易聚集粗化[6],但試驗(yàn)鋼中的M23C6碳化物大部分仍維持在較小尺寸,不會對鋼產(chǎn)生較強(qiáng)的軟化作用。

        當(dāng)保溫時間足夠長時,高的應(yīng)變能能夠?yàn)轳R氏體回復(fù)及再結(jié)晶提供驅(qū)動力。由圖5可知,經(jīng)650 ℃保溫24 h后,3#試驗(yàn)鋼的位錯塞積程度明顯高于1#試驗(yàn)鋼的,且3#試驗(yàn)鋼的馬氏體板條寬度較大,說明碳含量較高時,試驗(yàn)鋼的組織回復(fù)程度較低。

        圖5 1# 和3#試驗(yàn)鋼在650 ℃保溫24 h后的TEM形貌Fig.5 TEM morphology of test steel 1# (a) and 3# (b) after holding at 650 ℃ for 24 h

        2.2 熱穩(wěn)定性

        熱穩(wěn)定性反映了模具鋼在高溫環(huán)境下抵抗硬度下降的能力。由圖6可以看出:在不同溫度下,隨保溫時間延長,試驗(yàn)鋼硬度均呈下降趨勢,且溫度越高,硬度下降幅度越大;650 ℃下,3種試驗(yàn)鋼的硬度在前8 h迅速下降,隨后下降速度趨于平緩;當(dāng)保溫時間相同時,隨碳含量增加,試驗(yàn)鋼硬度逐漸增大,1#3#試驗(yàn)鋼在600 ℃保溫24 h后的硬度分別為39.4,41.9,45.6 HRC,在650 ℃保溫24 h后的硬度分別為31.6,34.0,38.8 HRC,表明鋼的熱穩(wěn)定性隨碳含量增加逐漸增強(qiáng)。釩是強(qiáng)碳化物形成元素,其與碳結(jié)合生成的富釩MC型碳化物(見圖4)與母相保持一定共格關(guān)系,在500~700 ℃回火時不易長大粗化[7];細(xì)小彌散的MC型碳化物可以減緩組織軟化,提高鋼的高溫回火抗力[8]。隨碳含量增加,更多的碳元素固溶于基體,其固溶強(qiáng)化作用與MC型碳化物的析出強(qiáng)化作用大于M23C6型碳化物粗化造成的軟化作用,故鋼的高溫?zé)岱€(wěn)定性隨碳含量增加逐漸增強(qiáng)。

        圖6 3種試驗(yàn)鋼在600 ℃和650 ℃保溫時的硬度變化曲線Fig.6 Hardness variation curves of three test steels during holding at 600 ℃ and 650 ℃

        2.3 回火動力學(xué)

        回火穩(wěn)定性可以用等溫動力學(xué)方程J-M-A[9]來評估,公式如下

        τ=1-exp(-Dtn)

        (1)

        式中:τ為回火率;D為反應(yīng)速率常數(shù);t為回火時間;n為Avrami指數(shù)。

        反應(yīng)速率常數(shù)D遵循Arrhenius方程

        (2)

        式中:D0為前因子,常數(shù);ΔQ為回火轉(zhuǎn)變激活能;R為氣體常數(shù),取8.314 3 kJ·mol-1·K-1;T為等溫回火溫度。

        回火率可表示為

        τ=(H0-H)/(H0-H)

        (3)

        式中:H0、H和H分別為淬火態(tài)、退火態(tài)和回火態(tài)硬度。

        將式(1)變換為以下形式

        ln[-ln(1-τ)]=nlnt+lnD

        (4)

        將3種試驗(yàn)鋼的回火熱穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(4),計(jì)算得出ln[-ln(1-τ)]與lnt的關(guān)系曲線,如圖7所示。通過線性擬合,得到直線斜率,即Avrami指數(shù)。在600 ℃保溫時,1#3#試驗(yàn)鋼的Avrami指數(shù)分別為0.68,0.75,0.70,在650 ℃保溫時,Avrami指數(shù)分別為0.44,0.50,0.45??梢钥闯?,在相同回火溫度下,Avrami指數(shù)隨碳含量增加變化不大,說明碳化物的形核長大機(jī)制與碳含量變化無關(guān)。

        圖7 600 ℃和650 ℃保溫時3種試驗(yàn)鋼的回火率與回火時間的關(guān)系Fig.7 Relationship of tempering rate and tempering time of three test steels during holding at 600 ℃ and 650 ℃

        進(jìn)一步將式(4)變換為以下形式

        (5)

        將各數(shù)據(jù)代入式(5)并進(jìn)行線性擬合。由圖8可知,1#3#試驗(yàn)鋼的回火轉(zhuǎn)變激活能分別為440.66,469.59,472.92 kJ·mol-1。隨碳含量增加,試驗(yàn)鋼回火激活能呈現(xiàn)增加的趨勢,碳元素在馬氏體中的擴(kuò)散激活能亦增加,原子擴(kuò)散變得困難,馬氏體分解速度降低,同時其回復(fù)程度逐漸減弱(圖5),抗回火能力增加,因此基體熱穩(wěn)定性提高。

        圖8 3種試驗(yàn)鋼等溫回火時ln D和1/T的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of ln D vs 1/T of three test steels during isothermal tempering

        3 結(jié) 論

        (1) 經(jīng)1 030 ℃淬火后,不同成分試驗(yàn)鋼組織均為板條馬氏體,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%試驗(yàn)鋼中的碳化物完全溶解,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.47%,0.71%試驗(yàn)鋼中存在顆粒狀富釩MC型未溶碳化物;經(jīng)回火處理后,試驗(yàn)鋼中均析出少量M23C6二次碳化物,隨碳含量增加,二次碳化物析出量增多并出現(xiàn)聚集;在650 ℃保溫一定時間后,碳化物明顯增多并發(fā)生粗化。

        (2) 進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗(yàn)時,隨保溫時間延長,試驗(yàn)鋼硬度呈下降趨勢;當(dāng)保溫時間相同時,隨碳含量增加,試驗(yàn)鋼硬度增大,熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

        (3) 隨碳含量增加,碳元素的固溶強(qiáng)化作用與MC型碳化物的析出強(qiáng)化作用使試驗(yàn)鋼的熱穩(wěn)定性增強(qiáng);碳含量增加對碳化物的形核長大機(jī)制沒有影響,但能夠提高試驗(yàn)鋼的回火轉(zhuǎn)變激活能,阻礙回火轉(zhuǎn)變,進(jìn)而提高其熱穩(wěn)定性。

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