張玉平，韋光珍，王夢涵

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,重慶 401120；2.重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400044）

0 引言

模具鋼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，同時也具有重要地位。模具不僅關(guān)系到產(chǎn)品成型，也關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。張艷等[1]分析了淬火溫度對40Cr13 塑料模具鋼耐腐蝕性能的影響規(guī)律。黃標彩等[2]研究和探討了熱處理工藝對P20 模具鋼組織和性能產(chǎn)生的影響。王志國等[3]研究了模具鋼表面激光沉積316 L 不銹鋼的組織轉(zhuǎn)變及差異性。邱宇等[4]研究了4Cr5MoSiV1 熱作模具鋼的熱變形行為與熱加工圖。孫瑞寶[5]分析了預熱溫度對3Cr2W8VSr 新型壓鑄模具鋼性能產(chǎn)生的具體影響。孫曉明等[6]研究了DEFORM-3D 在整體輾鋼車輪預鍛模具型腔分析中的應(yīng)用。張永強等[7]采用數(shù)值模擬方法預測了H13 熱作模具鋼熱-機械疲勞損傷和使用壽命。袁昌望等[8]分析了模具及溫度對1 500 MPa 級熱成形鋼組織性能產(chǎn)生的影響。丁向琴和冀世軍[9]研究了新型含鈦機械模具鋼的性能。5CrNiMo 是一種重要的模具鋼，但隨著市場對模具鋼性能要求的提高，現(xiàn)有的5CrNiMo 鋼性能難以滿足市場要求，尤其是抗熱裂性、耐高溫磨損性能的不理想，嚴重阻礙了5CrNiMo 鋼的商業(yè)化應(yīng)用。我們都知道，釩是鋼中一種有效的合金化元素，有助于改善鋼材性能。于淑靜和李紀明[10]分析了釩添加量對40Cr 模具鋼性能的影響。但是，目前關(guān)于5CrNiMo 模具鋼中添加釩的研究還鮮有報道。為此，筆者嘗試在5CrNiMo 鋼中添加不同含量的合金元素釩，研究釩微合金對5CrNiMo 模具鋼顯微組織、抗熱裂性和耐高溫磨損性能的影響，為5CrNiMo 模具鋼的改性提供新的思路和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗材料及方法

采用的試驗材料為在5CrNiMo 模具鋼中添加不同含量合金元素釩，采用感應(yīng)熔煉法制備而成的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣，各試樣的化學成分如表1 所示。各試樣的實驗室具體制備工藝流程：第一步，根據(jù)模具鋼試樣化學成分準確配料；第二步，在GW-0.5-250/1J 型中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉模具鋼試樣，熔煉溫度設(shè)置到1 655 ℃、熔體覆蓋劑型號為C3 型KING CASTER，二次精煉溫度設(shè)置到1 625 ℃、精煉時間25 min、保護氣氛采用氬氣；第三步，采用自制金屬型模具進行澆注，模具預熱溫度380 ℃、澆注溫度設(shè)置到1 610 ℃；第四步，去掉表面氧化皮，獲得模具鋼試樣，試樣尺寸為?60 mm×200 mm。

表1 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣化學成分Table 1 Chemical compositions of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel specimens %

模具鋼試樣抗熱裂性測試，采用熱裂環(huán)法，抗熱裂性能測試試棒具體尺寸如圖1 所示。在試樣中部切取磨損試樣，其耐高溫磨損性能測試采用MMUD-5B 型高溫摩擦磨損試驗機，磨輪轉(zhuǎn)速500 r/min、無油潤滑、磨損時間15 min、對磨材料為試樣本體、試驗溫度500 ℃，記錄磨損體積以此表征試樣的耐高溫磨損性能，并用EVO18 型掃描電鏡觀察試樣的表面磨損形貌。

圖1 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣抗熱裂性測試試棒尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimensional drawing of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel test bar for hot cracking resistance test

采用線切割在試樣中部切取金相試樣，經(jīng)過由粗到細的金相砂紙磨制并拋光后，用Koller 試劑（12 mLHNO3+24 mLHF+64 mLH2O）浸蝕15 s 后快速沖洗并吹干，然后置于ZEISS 型金相顯微鏡和EVO18 型掃描電鏡下觀察內(nèi)部顯微組織。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 抗熱裂性能

不同釩含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣抗熱裂性能如表2 所示。從表2 可知，釩微合金化有助于減小5CrNiMo 模具鋼試樣的裂紋長度，提高試樣的抗熱裂性能。此外，從表2 還可以看出，隨釩含量從x=0 逐漸增加到x=0.5%，試樣的裂紋長度先減小后增大；當釩含量x=0.3%時，試樣的裂紋長度最短（0.03 mm），較不添加釩時，裂紋長度減小3.4 mm；當釩含量進一步增大時，試樣的裂紋長度非但沒有進一步減小，反而有所增大，當釩含量提高到x=0.5%時，試樣裂紋長度增大到1.77 mm，試樣抗熱裂性能非但沒有進一步提高，反而有所降低。

表2 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣抗熱裂性能Table 2 Hot cracking resistance of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel samples

2.2 耐高溫磨損性能

不同釩含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣耐高溫磨損性能如表3所示。從表3 可知，釩微合金化有助于減小5CrNiMo 模具鋼試樣的磨損體積，提高試樣的耐高溫磨損性能。此外，從表3 還可以看出，隨釩含量從0 逐漸增加到0.5%，試樣的磨損體積先減小后增大；當釩含量x=0.3%時，試樣的磨損體積最小（19×10?3mm3），較不添加釩時，磨損體積減小16×10?3mm3；當釩含量進一步增大時，試樣的磨損體積非但沒有進一步減小，反而有所增大，當釩含量提高x=0.5% 時，試樣磨損體積增大到29×10?3mm3，試樣抗熱裂性能非但沒有進一步提高，反而有所降低。

表3 模具鋼試樣耐高溫磨損性能Table 3 Wear resistance of die steel specimens at high temperature

圖2 是不同釩含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣高溫磨損后的表面形貌。從圖2 可以看出，當釩含量x=0（不添加釩，圖2(a)）時，試樣磨損情況最嚴重，試樣表面較多體積較大的凹坑以及較多的粗大磨痕。當釩含量x=0.3%（圖2 (d)）時，試樣磨損情況最輕微，試樣表面未見明顯的凹坑，磨痕也較細。此外，從圖2 還可以看出，隨釩含量逐漸從0 增大到0.5%，試樣的磨損情況先減輕后加重。

圖2 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣高溫磨損形貌Fig.2 Wear morphologies of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

2.3 顯微組織

不同釩含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣顯微組織金相照片如圖3 所示。從圖3(a)～(f)的對比可以看出，當試樣中不添加合金元素釩（圖3(a)，x=0）時，試樣內(nèi)部晶粒較為粗大，組織分布均勻性較差；與不添加合金元素釩相比，當試樣中添加合金元素釩后，試樣內(nèi)部晶粒得到細化，組織分布更為均勻。此外，從圖3 還可以看出，隨試樣中合金元素釩含量從x=0 逐漸增加到x=0.5%，試樣內(nèi)部晶粒尺寸表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。當試樣中合金元素釩含量x=0.3%時，試樣內(nèi)部晶粒最細小，組織分布均勻性最好。

圖3 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣顯微組織金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructure metallographic photographs of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

圖4 是不同釩含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣顯微組織掃描電鏡（SEM）照片。從圖4(a)～(f)的對比可以看出，當試樣中不添加合金元素釩（圖4(a)，x=0）時，試樣中除了細小的顆粒狀碳化物外，還有粗大的塊狀碳化物和粗大的骨狀碳化物，碳化物分布均勻性較差。與不添加合金元素釩相比，當試樣中添加合金元素釩后，試樣中未發(fā)現(xiàn)粗大的骨狀碳化物和大塊狀碳化物，碳化物更細小，碳化物分布也更為均勻。此外，從圖3 還可以看出，隨試樣中合金元素釩含量從x=0 逐漸增加到x=0.5%，試樣中碳化物呈現(xiàn)出先細化后粗化的變化趨勢。當試樣中合金元素釩含量x=0.3%時，試樣內(nèi)部碳化物最為細小，呈彌散分布。

圖4 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣顯微組織SEM 照片F(xiàn)ig.4 Microstructure SEM photographs of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

由此可以看出，在5CrNiMo 模具鋼試樣中添加合金元素釩，有助于細化模具鋼試樣的內(nèi)部組織，并避免出現(xiàn)粗大的碳化物，提高模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能。這主要是因為在5CrNiMo 模具鋼試樣中添加合金元素釩后，釩元素與碳元素可以形成穩(wěn)定性好、熔點很高的碳化物，實現(xiàn)晶粒細化效果，同時也可以促使模具鋼試樣在高溫條件下仍可以保持較為細小的、彌散分布的內(nèi)部組織，從而可以顯著降低模具鋼試樣的過熱敏感性，從而有效提高模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能[9]。但是，當模具鋼試樣中添加的合金元素釩含量較低時，釩的積極作用難以充分發(fā)揮；適當提高模具鋼試樣中合金元素釩含量有助于模具鋼獲得較為細小的、均勻分布的內(nèi)部組織，同時獲得彌散分布的、細小顆粒狀的、穩(wěn)定性高和極難熔的碳化物，從而顯著提高5CrNiMo 模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能[10]。如果模具鋼試樣中合金元素釩含量過多，容易引起成分偏析以及碳化物的粗化，使得5CrNiMoV 模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能出現(xiàn)下降[8?10]。

3 結(jié)論

1）添加合金元素釩有助于細化5CrNiMoV 模具鋼試樣的顯微組織和碳化釩，提高模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能；隨模具鋼試樣中釩含量從x=0 逐漸增加到x=0.5%，5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣的顯微組織和碳化物均先細化后粗化，抗熱裂性能和耐高溫磨損性能先提高后下降。

2）與不添加釩（x=0）相比，當釩含量x=0.3%時，5CrNiMoVx模具鋼試樣的裂紋長度減小3.4 mm、磨損體積減小16×10?3mm3，模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能顯著提高。

3）為了提高模具鋼試樣的抗熱裂性能和耐高溫磨損性能，5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具鋼試樣的釩含量優(yōu)選為x=0.3%。