龐慶海，郎慶斌，何春靜，王九花，元亞莎

(1.洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000；2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽 471000)

5Cr2NiMoVSi鋼是一種廣泛應(yīng)用的新型高熱穩(wěn)定性模具鋼，該材料在5CrNiMo鋼的基礎(chǔ)上添加Cr、V、Si等元素，使得淬透性和耐高溫強(qiáng)度均優(yōu)于5CrNiMo鋼，其耐高溫強(qiáng)度提高64%，熱穩(wěn)定性溫度提高150～170 ℃。對(duì)于500 mm×500 mm截面的模塊，熱處理后其心部硬度較5CrNiMo鋼高出13 HRC，使用壽命可提高1倍左右[1]。5Cr2NiMoVSi鋼熱穩(wěn)定性優(yōu)于5CrNiMo鋼，接近4Cr5MoSiV(H11)鋼，且熱疲勞性能和沖擊韌度較好，適合用于與鍛件接觸時(shí)間較長、模具工作面溫升較高的壓力機(jī)鍛模、錘鍛模等大截面熱鍛模具[2-3]。

對(duì)熱作模具鋼而言，其硬度、韌性和熱穩(wěn)定性是最主要的性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)決定了熱作模具鋼的使用壽命[4]。而改善熱作模具鋼的強(qiáng)韌化途徑之一就是通過控制熱處理工藝來調(diào)控組織和結(jié)構(gòu)，使其滿足熱作模具鋼的性能需求[5-6]。目前，對(duì)5Cr2NiMoVSi鋼的研究主要集中在熱處理工藝優(yōu)化、復(fù)合強(qiáng)化等方面[7-8]，在相變特性及熱態(tài)穩(wěn)定性研究方面較為欠缺。為詳細(xì)掌握5Cr2NiMoVSi鋼在冷卻過程中獲得的組織與性能，合理設(shè)計(jì)材料熱處理工藝，有必要研究材料冷卻過程的相轉(zhuǎn)變規(guī)律，評(píng)定材料力學(xué)性能，掌握5Cr2NiMoVSi鋼熱加工特性，以期為大型模具的生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用真空中頻感應(yīng)熔煉爐制備5Cr2NiMoVSi鋼，試驗(yàn)材料經(jīng)鍛造變形和球化退火處理獲得平衡態(tài)組織，并開展測試試驗(yàn)。材料化學(xué)成分見表1。

表1 5Cr2NiMoVSi鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

相變規(guī)律測試試驗(yàn)在真空狀態(tài)下的Formastor-FⅡ相變測試儀上進(jìn)行，試樣規(guī)格為φ3 mm×10 mm，按YB/T 5127—1993標(biāo)準(zhǔn)《鋼的臨界點(diǎn)測定方法(膨脹法)》測試材料的臨界點(diǎn)。試樣升溫速度為200 ℃/h，奧氏體化溫度1000 ℃，保溫時(shí)間20 min，冷卻速度分別為0.03、0.06、0.08、0.15、0.25、0.3、0.4、1和5 ℃/s。測試結(jié)束后，采用切線法測試相變臨界點(diǎn)，并繪制奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

開展熱處理工藝試驗(yàn)，試樣加熱溫度為980 ℃，保溫40 min并油冷，回火溫度為550、570、590、610和630 ℃，保溫時(shí)間為4 h，每個(gè)試樣均回火處理兩次。熱處理完成后檢測試樣的力學(xué)性能，觀察顯微組織。試樣侵蝕劑為4%的硝酸酒精溶液，采用Observer D1M光學(xué)顯微鏡觀察其組織，采用華銀310HVS-5維氏硬度計(jì)、HB-3000B型布式硬度計(jì)檢測試樣硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線

通過材料的溫度-膨脹量曲線，得出不同冷卻速度下的各相變起始溫度和終止溫度，結(jié)合金相-顯微硬度，繪制材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)，如圖1所示。5Cr2NiMoVSi鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線為雙C曲線，奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度為746 ℃，終止溫度為840 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度為262 ℃。材料以不同速度連續(xù)冷卻過程中，過冷奧氏體分別發(fā)生鐵素體和珠光體、貝氏體、馬氏體等相變過程。當(dāng)冷卻速度低于0.06 ℃/s時(shí)，試樣首先出現(xiàn)少量高溫相組織，當(dāng)溫度降至440～280 ℃時(shí)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。冷速在0.08～0.15 ℃/s 區(qū)間僅發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，0.15～0.3 ℃/s冷速區(qū)間存在貝氏體和馬氏體兩種相變過程。冷卻速度高于0.4 ℃/s，試樣僅發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，即材料的臨界冷卻速度為0.4 ℃/s。

圖1 5Cr2NiMoVSi鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

從圖1可以看出，5Cr2NiMoVSi鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線大幅度右移，高溫相變區(qū)右移幅度最為明顯，表明該材料過冷奧氏體具有較好的穩(wěn)定性，適用于厚截面工件或熱鍛模具等。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，5Cr2NiMoVSi鋼大型工件心部材料在較慢的冷卻速度下，依然可以得到馬氏體、貝氏體復(fù)相組織或完全貝氏體組織，獲得較好的力學(xué)性能。

2.2 顯微組織

過冷奧氏體以不同冷卻速度冷卻后得到不同的組織，最終決定了材料的力學(xué)性能。為此，冷卻速度是鋼制構(gòu)件在熱處理過程中最為重要的參數(shù)。對(duì)不同冷卻速度相變試樣的顯微組織進(jìn)行觀察和分析，確定組織構(gòu)成與連續(xù)冷卻速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，典型組織見圖2。

圖2 5Cr2NiMoVSi鋼在不同冷速下的顯微組織

可以看出，冷卻速度為0.03～0.06 ℃/s時(shí)，試樣組織由鐵素體、珠光體以及粒狀貝氏體組成。冷速為0.08～0.3 ℃/s時(shí)，試樣由貝氏體、馬氏體及殘留奧氏體組成。黑針為下貝氏體組織，隨冷卻速度提高，貝氏體含量減少，馬氏體含量逐步增多。貝氏體分布不均勻，反映出原材料存在化學(xué)成分偏析。冷卻速度大于0.4 ℃/s時(shí)，試樣由板條馬氏體和少量針狀馬氏體復(fù)相組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆陌鍡l馬氏體組織。以板條馬氏體為主的熱處理組織，強(qiáng)韌性較好，具有良好的綜合力學(xué)性能。

2.3 顯微硬度

5Cr2NiMoVSi鋼的顯微硬度受冷卻速度影響較為明顯，隨冷卻速度提高而逐步增大，硬度與冷卻速度關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯鋮s速度為0.03 ℃/s和0.06 ℃/s時(shí)，試樣顯微硬度較低，約為400～421 HV。冷卻速度為0.08～0.3 ℃/s時(shí)，試樣由貝氏體組織及馬氏體組織構(gòu)成，隨著冷卻速度提高，馬氏體含量逐步增多，硬度區(qū)間為473～577 HV。貝氏體屬于半擴(kuò)散型相變，冷卻過程中奧氏體中的碳來不及擴(kuò)散，使得固溶在奧氏體中的碳含量增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變后貝氏體的硬度提高[9]。冷卻速度大于0.4 ℃/s時(shí)，材料為典型的馬氏體組織，硬度基本保持在640 HV以上，冷卻速度為5 ℃/s時(shí)，試樣硬度可達(dá)742 HV。

圖3 5Cr2NiMoVSi鋼硬度與冷卻速度的關(guān)系曲線

對(duì)于5Cr2NiMoVSi鋼，隨著冷卻速度提高，相變類型由擴(kuò)散型逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍凶冃?，切變型相變?qiáng)化作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸升高。同時(shí)，由于5Cr2NiMoVSi鋼中Cr、Ni、Mo、Si、V等元素的固溶強(qiáng)化作用，使得馬氏體組織具有較高的硬度。

2.4 力學(xué)性能

力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系如表2所示?？梢钥闯?，5Cr2NiMoVSi鋼經(jīng)980 ℃油冷淬火及回火處理，強(qiáng)度隨回火溫度升高而逐漸降低，韌性逐步提高。其中，試樣在590 ℃回火處理時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1628 MPa，屈服強(qiáng)度為1514 MPa，此時(shí)U型缺口試樣沖擊吸收能量為20.6 J，V型缺口試樣沖擊吸收能量為10.2 J，表現(xiàn)出較好的綜合力學(xué)性能。

表2 5Cr2NiMoVSi鋼的力學(xué)性能

5Cr2NiMoVSi鋼的回火穩(wěn)定性曲線如圖4所示。當(dāng)回火溫度為550～590 ℃時(shí)，試樣硬度高于45 HRC且降低幅度較小，回火穩(wěn)定性較優(yōu)。由此可見，鋼中合金元素對(duì)回火穩(wěn)定性有較大影響，較高的Mo含量可以強(qiáng)化基體組織，提高熱強(qiáng)性能，抑制貝氏體的回復(fù)和再結(jié)晶，V元素在回火過程中起到了明顯的析出強(qiáng)化作用[10]，兩種元素均有利于提高材料的回火穩(wěn)定性。當(dāng)材料回火溫度高于610 ℃時(shí)，硬度大幅度降低，回火穩(wěn)定性變差。因此，為保證5Cr2NiMoVSi鋼具備較高的強(qiáng)度，建議回火處理及使用溫度均不高于590 ℃。

圖4 5Cr2NiMoVSi鋼的回火穩(wěn)定性曲線

圖5為試驗(yàn)鋼經(jīng)550～610 ℃兩次回火后的顯微組織。可以看出，經(jīng)550 ℃回火的試樣組織形態(tài)為板條狀，析出的碳化物細(xì)小并按一定位向分布，材料強(qiáng)度和硬度較高。當(dāng)回火溫度為610 ℃時(shí)，碳化物顆粒已明顯粗化，組織位向已經(jīng)消失，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度、硬度降低，韌性提高。

3 結(jié)論

1)5Cr2NiMoVSi模具鋼過冷奧氏體具有良好的穩(wěn)定性，其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線大幅度右移，當(dāng)冷卻速度大于0.08 ℃/s時(shí)，即可獲得貝氏體、馬氏體或兩者復(fù)相組織。

2)5Cr2NiMoVSi模具鋼的臨界冷卻速度為0.4 ℃/s，冷卻速度高于0.4 ℃/s時(shí)，可獲得全部馬氏體組織，試樣硬度基本在640 HV以上。

3)5Cr2NiMoVSi模具鋼具有較好的回火穩(wěn)定性，當(dāng)回火溫度在550～590 ℃時(shí)，試樣硬度仍高于45 HRC，抗拉強(qiáng)度可保持在1628 MPa以上。