碳含量對4Cr5Mo2V熱作模具鋼顯微組織及熱穩(wěn)定性的影響

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。取樣測得試驗鋼的化學(xué)成分如表1所示。

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

圖1 3種試驗鋼在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種試驗鋼的初始硬度調(diào)至5253 HRC。

表2 3種試驗鋼的熱處理工藝及硬度

1.2 試驗方法

采用箱式爐進(jìn)行熱穩(wěn)定性試驗，試驗溫度為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 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，3種試驗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種試驗鋼的化學(xué)成分，采用Jmat-pro熱力學(xué)軟件計算相圖，得到不同溫度下的碳化物含量。由圖2可知，試驗鋼中均含有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#試驗鋼中的碳化物完全溶解，2#和3#試驗鋼中則形成顆粒狀MC型未溶碳化物，且3#試驗鋼中未溶碳化物明顯多于2#試驗鋼的。對2#和3#試驗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種試驗鋼的組織均由回火馬氏體和合金碳化物組成。對3種試驗鋼中的碳化物進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，1#試驗鋼中析出了少量M23C6二次碳化物，2#和3#試驗鋼淬火形成的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#試驗鋼中還出現(xiàn)了M23C6碳化物的偏聚現(xiàn)象。

圖2 3種試驗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)變能能夠為馬氏體回復(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#試驗鋼的位錯塞積程度明顯高于1#試驗鋼的，且3#試驗鋼的馬氏體板條寬度較大，說明碳含量較高時，試驗鋼的組織回復(fù)程度較低。

圖5 1# 和3#試驗鋼在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，試驗鋼硬度逐漸增大，1#3#試驗鋼在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種試驗鋼的回火熱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)代入式(4)，計算得出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，不同成分試驗鋼組織均為板條馬氏體，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%試驗鋼中的碳化物完全溶解，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.47%，0.71%試驗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)定性試驗時，隨保溫時間延長，試驗鋼硬度呈下降趨勢；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。