一種新型高碳高鉻冷作模具鋼的開發(fā)

孫秀華，劉 猛，劉德龍，劉 欣，王 宇，高 新，黃 輝

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001）

1 引言

高碳高鉻冷作模具鋼因具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性，而廣泛用于制造冷作模具，傳統(tǒng)Cr12和Cr12-Mo-V 兩種類型，Cr12 型含碳量高達(dá)2%，容易形成不均勻的共晶碳化物，使沖擊韌性較差，Cr12-Mo-V 型含碳量降低為1.5%且加入鉬和釩合金元素，改善了共晶碳化物的均勻性，使沖擊韌性提高，但由于含碳量降低，高硬性和高耐磨性遜于Cr12 型，同時加入鉬和釩合金元素也使成本比Cr12型增高[1~2]。

綜合Cr12 和Cr12-Mo-V 型的合金化和性能特點(diǎn)，開發(fā)了Cr10-V-N型高碳高鉻冷作模具鋼，宗旨是含碳量低于Cr12 型而高于Cr12-Mo-V 型，且適當(dāng)降低含鉻量減少共晶碳化物而改善均勻性，并添加少量釩而獲得良好的沖擊韌性，另外，加入適量的氮進(jìn)一步細(xì)化晶粒而提高硬度和韌性，總之，Cr10-V-N型從合金化方面成本低于Cr12-Mo-V型，從性能方面兼顧了Cr12型的高硬性和Cr12-Mo-V型的高韌性。

本文對開發(fā)的Cr10VN高碳高鉻冷作模具鋼從共晶碳化物均勻性、熱處理工藝、硬度、沖擊韌性方面進(jìn)行了研究，并與Cr12和Cr12MoV進(jìn)行了對比分析。

2 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用料的化學(xué)成分 %

對比表1 中Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 的合金化特點(diǎn)，從理論上講，Cr10VN 的含碳量低于Cr12 而高于Cr12MoV，含釩量略低于Cr12MoV，使其高硬性和高耐磨性遜于Cr12 且沖擊韌性比Cr12MoV 差，而Cr10VN由于加入適量的氮而形成的氮化物在晶界析出起到細(xì)化晶粒作用，不但改善韌性，還可固溶于馬氏體中起到硬化和強(qiáng)化作用[3]，使Cr10VN由于氮的加入可提高硬度和耐磨性并獲得良好的沖擊韌性。

試驗(yàn)用料為φ120mm 退火材，生產(chǎn)工藝流程：EAF+LF+VD冶煉→模鑄鋼錠→精鍛機(jī)成材→鋼材退火→取片檢驗(yàn)，退火工藝為890℃加熱保溫后20℃/h降溫至400℃出爐空冷，退火硬度Cr10VN 為205HB、Cr12 為194HB、Cr12MoV 為200HB，顯微組織為呈粒狀的珠光體和共晶碳化物，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用料的顯微組織

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1 共晶碳化物均勻性

高碳高鉻鋼由于高的含碳和含鉻量，而含有大量呈不均勻分布的共晶碳化物，含碳和含鉻量越高，共晶碳化物越多且越不均勻分布[4]。試驗(yàn)用料在半徑二分之一處取樣，按GB/T14979標(biāo)準(zhǔn)第四評級圖進(jìn)行共晶碳化物均勻性評定，Cr10VN、Cr12、Cr12MoV的共晶碳化物分布如圖2所示，呈網(wǎng)狀分布，評級分別為3.5級、4.0 級、3.5 級，共晶碳化物數(shù)量Cr10VN 少于Cr12 和Cr12MoV，共晶碳化物堆積Cr12 最重，其次Cr10VN，Cr12MoV較輕，這是由于Cr10VN含碳量低于Cr12而高于Cr12MoV，含鉻量低于Cr12 和Cr12MoV，故Cr10VN的共晶碳化物均勻性好于Cr12略遜于Cr12MoV。

圖2 共晶碳化物分布

2.2 淬火工藝及硬度

試樣尺寸為20×20×10mm，900~1,080℃加熱，30分鐘保溫，油冷淬火，Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 不同溫度淬火的硬度曲線如圖3所示。

圖3 不同溫度淬火的硬度曲線

由圖3可見，Cr10VN、Cr12、Cr12MoV淬火硬度隨溫度的變化趨勢相同，低溫淬火硬度隨溫度的提高不斷增高，提高到一定溫度時淬火硬度達(dá)到最高，之后高溫淬火硬度隨溫度的提高不斷降低。Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 為高碳高合金鋼，淬火硬度由馬氏體中的碳和合金含量決定，含量高則硬度高，低溫淬火時隨著溫度的提高，馬氏體中的碳和合金含量升高，低溫淬火硬度則增高，高溫淬火時隨著溫度的提高，形成大量殘余奧氏體和少量粗大馬氏體而碳和合金含量減少，高溫淬火硬度則降低[5]。

由圖3 還可見，低溫淬火硬度Cr12MoV 最低，其次Cr10VN，Cr12 低溫淬火硬度最高，由于含碳量Cr12MoV、Cr10VN、Cr12依次升高，低溫淬火后馬氏體中的含碳量也依次升高，故低溫淬火硬度依次增高。最高淬火硬度按Cr12、Cr10VN、Cr12MoV 次序向高溫移動，分別在960℃、980℃、1,020℃淬火硬度達(dá)到最高為66HRC、65.5HRC、64.5HRC，進(jìn)行淬火組織觀察，如圖4 所示，為馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，Cr12 的含碳量高且淬火溫度低，其碳化物數(shù)量多且顆粒大，Cr12MoV淬火溫度高，碳化物溶解的多而數(shù)量減少且顆粒變小，Cr10VN 的淬火溫度高于Cr12 而低于Cr12MoV，其碳化物數(shù)量和顆粒大小介于Cr12 和Cr12MoV 之間。高溫淬火硬度則與低溫淬火硬度相反，Cr12MoV 高溫淬火硬度最高，其次Cr10VN，Cr12高溫淬火硬度最低。

圖4 淬火顯微組織

Cr12、Cr10VN、Cr12MoV 低溫淬火是溶解鉻的碳化物增高硬度，高溫淬火除了鉻的碳化物溶解外，鉬和釩的碳化物逐漸溶解進(jìn)一步增高硬度，Cr12不含鉬和釩，Cr10VN 僅含少量的釩，Cr12MoV 含有鉬和釩，所以，Cr12、Cr10VN、Cr12MoV最高淬火硬度依次向高溫移動，且高溫淬火硬度逐漸增高，另外，Cr10VN 含碳量低于Cr12 而高于Cr12MoV，由于含有適量的氮，形成氮化物在晶界析出起到細(xì)化晶粒作用，還可固溶于馬氏體中起到硬化和強(qiáng)化作用，由圖3也可見，Cr12在920℃~960℃淬火硬度為64~66HRC，Cr10VN 在940℃~980℃淬火硬度為64~65.5HRC，Cr12MoV 在980℃~1,020℃淬火硬度為63~64.5HRC，故Cr10VN淬火硬度與Cr12相當(dāng)且略高于Cr12MoV。

2.3 回火工藝及硬度

Cr12、Cr10VN、Cr12MoV 分別在960℃、980℃、1,020℃油冷淬火，然后在200℃~650℃空冷回火，不同溫度回火的硬度曲線如圖5所示。

圖5 不同溫度回火的硬度曲線

由圖5 可見，Cr10VN 隨著溫度的增高回火硬度先降低，200℃回火硬度為62.5HRC，350℃之后回火硬度基本不降低，且在450℃時硬度略有提高為58HRC，450℃后回火硬度迅速降低，Cr12 隨著溫度的增高而回火硬度降低，且400℃后回火硬度迅速降低，Cr12MoV 低溫200℃~350℃回火硬度隨著溫度的增高而緩慢降低，中溫400℃~500℃回火硬度隨著溫度的增高而略有升高，高溫500℃后回火硬度迅速降低。Cr12、Cr10VN、Cr12MoV 合金含量依次增加，回火穩(wěn)定性也依次提高[6]，Cr10VN 在350℃~400℃回火時，由于析出鉻的碳化物硬度基本不降低，在400℃~450℃回火時又析出釩的碳化物而使硬度略有升高，在450℃時硬度達(dá)到峰值出現(xiàn)了輕微的二次硬化，而Cr12 不含釩沒有二次硬化，Cr12MoV含釩量相對高些，二次硬化明顯且趨向高溫在500℃出現(xiàn)二次硬化峰值，所以Cr10VN 回火穩(wěn)定性好于Cr12 比Cr12MoV 略差。

2.4 沖擊韌性

對Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 進(jìn)行沖擊功對比試驗(yàn)，半徑二分之一處切割11×11×55mm縱向試樣進(jìn)行熱 處 理，Cr12、Cr10VN、Cr12MoV 分 別 在960℃、980℃、1,020℃油冷淬火，然后200℃空冷回火，熱處理后的試樣再經(jīng)磨床磨制成不開口10×10×55mm 試樣測試沖擊功。表2 為Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 縱向沖擊功測試結(jié)果。

表2 縱向沖擊功測試結(jié)果

由表2可見，Cr12、Cr10VN、Cr12MoV分別在960℃、980℃、1,020℃油冷淬火后200℃空冷回火的硬度基本相當(dāng)分別為63HRC、62.5HRC、62.5HRC，而沖擊功有所差別，Cr12 較低為11.8~17.3J，Cr10VN 與Cr12MoV較高且基本相當(dāng)為25.1~32.4J和27.9~33.3J，Cr12MoV由于含有鉬和釩合金元素可細(xì)化晶粒提高沖擊韌性，Cr10VN雖然不含鉬且含釩量略低于Cr12MoV，但由于加入適量的氮形成在晶界分布的氮化物進(jìn)一步細(xì)化晶粒提高韌性，而Cr12不含鉬和釩沖擊韌性較差，所以，Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 在硬度相當(dāng)情況下，Cr10VN與Cr12MoV沖擊韌性相當(dāng)且好于Cr12。

3 結(jié)論

（1）Cr10VN 共晶碳化物均勻性好于Cr12 略遜于Cr12MoV。

（2）Cr10VN高硬性與Cr12相當(dāng)略高于Cr12MoV，940℃~980℃淬火硬度為64~65.5HRC，200℃回火硬度為62.5HRC，450℃回火硬度仍保持在58HRC。

（3）Cr10VN 高韌性與Cr12MoV 相當(dāng)高于Cr12，980℃淬火+200℃回火后，縱向沖擊功為25.1~32.4J。