Ti的添加對Cr12MoV鋼力學性能的影響

伏思靜，王 靜，李遠輝，曾 明

(1.成都工業(yè)學院機械工程學院， 四川 成都 611730； 2.成都工業(yè)學院材料工程學院， 四川 成都 611730； 3.西華大學材料科學與工程學院， 四川 成都 610039 )

Cr12MoV鋼具有較高的耐磨性、淬透性、淬硬性以及熱處理變形小等優(yōu)點，被廣泛應用于制造冷作模具，由于其含碳量和含鉻量高，在鑄態(tài)凝固組織中存在大量的網(wǎng)狀共晶碳化物，且分布不均勻，偏析嚴重，影響Cr12MoV鋼的力學性能和模具的使用壽命[1-8]。為改善Cr12MoV鋼的力學性能，提高模具的使用壽命，常采用的工藝是鍛造處理，使粗大的網(wǎng)狀共晶碳化物呈細小、均勻分布。本研究通過在Cr12MoV鋼中加入Ti,改善Cr12MoV鋼鑄態(tài)組織中碳化物分布、形態(tài)，提高Cr12MoV鋼鑄態(tài)的力學性能，使之接近鍛態(tài)的力學性能。

1 試驗材料及方法

試驗原材料： Cr12MoV模具鋼，其化學成分見表1；Fe-28%Ti的鈦鐵。

試樣制備：采用ZGJL-0.025-50-2.5型真空感應電爐熔煉，真空度1×10-1Pa，熔煉溫度1 650 ℃、保溫15 min后將鋼水澆注到鑄型中，隨爐冷卻。制備出含鈦量分別為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%(質量分數(shù))的試樣。按照GB/T 228.1-2010制備拉伸試樣(圓形橫截面)，GB/T 229-2007制備沖擊試樣。

力學性能測試：采用 CMT-6104型電子萬能試驗機測量抗拉強度，采用JB30A型擺錘式?jīng)_擊試驗機測量沖擊韌性，采用200HRS-150洛氏硬度計測量硬度，采用金剛石(錐形)壓頭，總試驗力1 470 N，保壓時間5 s，取5個點的平均值。

微觀組織測試：采用OLYMPUS金相顯微鏡和S3400N型掃描電子顯微鏡和能譜議(加速電壓2～30 kV，放大倍數(shù)20～200 000) 觀察組織、分析微區(qū)成分。

表1 Cr12MoV模具鋼的化學成分(質量分數(shù)/%)

2 結果與討論

Ti的含量對Cr12MoV鋼抗拉強度的影響如圖1所示?？梢钥吹?，隨著Ti含量的增加，Cr12MoV鋼的抗拉強度并沒有明顯地呈線性增高，當Ti含量達到最高時，抗拉強度達到630 MPa左右。

圖1 Ti的含量對Cr12MoV鋼抗拉強度的影響

Ti的含量對Cr12MoV鋼沖擊韌性的影響如圖2所示?？梢钥吹剑何刺砑覶i的Cr12MoV模具鋼經(jīng)過真空熔煉后，其沖擊韌性值很低，平均值為4.0 J/cm2；隨著Ti含量的增大，Cr12MoV模具鋼沖擊韌性值有一定幅度的提高，當Ti的含量為0.5%時，沖擊韌性值達到11.3 J/cm2，是未添加Ti時的2.8倍。由此可以看出，Ti的加入有利于Cr12MoV鋼沖擊韌性值的提高。

圖2 Ti的含量對Cr12MoV鋼沖擊韌性的影響

Ti的含量對Cr12MoV鋼硬度的影響如圖3所示?？梢钥吹?，隨著Ti含量的增加，Cr12MoV模具鋼的洛氏硬度(HRC)提高，但提高的幅度很小。

圖3 Ti的含量對Cr12MoV鋼硬度的影響

不同Ti含量的試樣金相組織如圖4所示。可以看到，試樣的鑄態(tài)組織中存在網(wǎng)狀相。據(jù)資料[9-10]介紹，這樣的網(wǎng)狀相是沿奧氏體晶界分布的共晶萊氏體中的Cr-C化合物。比較不同Ti含量試樣的組織形貌，可以看出，Cr-C化合物的網(wǎng)狀形貌確實受到了Ti含量的影響。未加入Ti，試樣中網(wǎng)狀相的連續(xù)性特征很明顯,如圖4(a)所示。而隨著Ti的加入且其含量的增高，網(wǎng)狀相的連續(xù)性有了明顯的改變。加入0.1%的Ti后，其組織中可以看出網(wǎng)狀的碳化物開始有了斷開的部分，如圖4(b)所示。隨著Ti含量的增加，不僅有Cr-C化合物的明顯斷開現(xiàn)象，在斷開的附近還有了一定數(shù)量的顆粒狀物, 如圖4(c)- (f)所示。

(a) 0；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%；(f) 0.5%

圖5所示為含0.2%Ti試樣的SEM形貌。選了一處存在于沒有完全斷開的Cr-C化合物網(wǎng)中如圖所示的顆粒相A和B，進行微區(qū)成分分析。分析結果如表2所示。

圖5 0.2%Ti試樣的SEM形貌

表2 圖5中的微區(qū)成分

從表2中可以看到，A點的Ti和C的原子百分比都很接近50%，可以判斷A點相是TiC。

圖6所示為含0.5%Ti試樣的SEM形貌?？梢钥吹剑湫偷腃r-C化合物網(wǎng)已完全斷開。在沒有Cr-C化合物的“空白處”，都存在一定量的顆粒物。在其中選擇了4個顆粒物進行微區(qū)成分分析，結果如表3所示。

圖6 0.5%Ti試樣的SEM形貌

從表3中數(shù)據(jù)可以看到，標記為A的顆粒物及其附近的C和Ti的原子百分比數(shù)值都很高，而V、Cr、Fe、Mo的原子百分比數(shù)值都很低。按照前面的分析，可以認定標記為A的顆粒物是TiC。

標記為B的顆粒物及其附近的C和Ti的原子百分比數(shù)值也很高，Cr和Fe的原子百分比數(shù)值都很低，V和Mo沒有檢測到說明其量更低。這說明，標記為B的顆粒物也可以認定為TiC相。

表3 圖6中的微區(qū)成分

標記為C的顆粒物及其附近的C和Ti的原子百分比數(shù)值也很高，V和Cr的原子百分比數(shù)值很低，而Fe的原子百分比數(shù)值較高。由此可以認為標記為C的顆粒物是TiC，但其尺寸較小致使較多的Fe被檢測到了。

綜上所述，無論是在Ti含量較低的試樣中還是在Ti含量最高的試樣中，Cr-C化合物網(wǎng)斷開處及其附近都存在TiC，說明Cr-C化合物網(wǎng)的斷開與TiC的生成有關，也就是Ti優(yōu)先占用了一部分C而減少了Cr-C化合物的量。

影響Cr12MoV鋼的抗拉強度、硬度的主要因素是鋼中的含碳量。而鋼中合金元素對抗拉強度、硬度的影響，可以把總的合金元素含量折算為碳當量。在本研究中，Ti的加入量最高為0.5%，含量低，因此Ti的加入對Cr12MoV鋼的抗拉強度、硬度的提高不大。

Cr12MoV鋼的韌性差，一個主要的原因是粗大碳化物的析出偏聚，Ti的加入一方面使典型的Cr-C化合物網(wǎng)斷開，另一方面Ti與C形成細小的TiC，兩方面改善了Cr12MoV鋼中碳化物的分布以及碳化物顆粒大小，導致Cr12MoV鋼的沖擊韌性大大提高。

3 結論

1)Ti的加入改善了Cr12MoV鋼中粗大的網(wǎng)狀Cr-C碳化物的形貌，隨著Ti含量的增加，Cr12MoV鋼中共晶碳化物有明顯的斷開現(xiàn)象，在斷開的附近還出現(xiàn)了一定數(shù)量的TiC顆粒。

2)Ti的加入改善了Cr12MoV鋼的沖擊韌性、抗拉強度和硬度。隨著Ti含量的增加，Cr12MoV鋼的抗拉強度和硬度有一定程度的提高，沖擊韌性顯著升高。當Ti含量為0.5%，沖擊韌性達到11.3 J/cm2,是未加Ti的2.8倍。