釩微合金化對(duì)5CrNiMo 模具鋼組織與性能的影響分析

張玉平，韋光珍，王夢(mèng)涵

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 401120；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(shí)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(duì)40Cr13 塑料模具鋼耐腐蝕性能的影響規(guī)律。黃標(biāo)彩等[2]研究和探討了熱處理工藝對(duì)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(yù)熱溫度對(duì)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(yù)鍛模具型腔分析中的應(yīng)用。張永強(qiáng)等[7]采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了H13 熱作模具鋼熱-機(jī)械疲勞損傷和使用壽命。袁昌望等[8]分析了模具及溫度對(duì)1 500 MPa 級(jí)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(jī)械模具鋼的性能。5CrNiMo 是一種重要的模具鋼，但隨著市場(chǎng)對(duì)模具鋼性能要求的提高，現(xiàn)有的5CrNiMo 鋼性能難以滿足市場(chǎng)要求，尤其是抗熱裂性、耐高溫磨損性能的不理想，嚴(yán)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(jì)明[10]分析了釩添加量對(duì)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(bào)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用的試驗(yàn)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(xué)成分如表1 所示。各試樣的實(shí)驗(yàn)室具體制備工藝流程：第一步，根據(jù)模具鋼試樣化學(xué)成分準(zhǔn)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(hào)為C3 型KING CASTER，二次精煉溫度設(shè)置到1 625 ℃、精煉時(shí)間25 min、保護(hù)氣氛采用氬氣；第三步，采用自制金屬型模具進(jìn)行澆注，模具預(yù)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(xué)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(cè)試，采用熱裂環(huán)法，抗熱裂性能測(cè)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(cè)試采用MMUD-5B 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，磨輪轉(zhuǎn)速500 r/min、無油潤(rùn)滑、磨損時(shí)間15 min、對(duì)磨材料為試樣本體、試驗(yàn)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(cè)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(xì)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?zèng)_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(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)度先減小后增大；當(dāng)釩含量x=0.3%時(shí)，試樣的裂紋長(zhǎng)度最短（0.03 mm），較不添加釩時(shí)，裂紋長(zhǎng)度減小3.4 mm；當(dāng)釩含量進(jìn)一步增大時(shí)，試樣的裂紋長(zhǎng)度非但沒有進(jìn)一步減小，反而有所增大，當(dāng)釩含量提高到x=0.5%時(shí)，試樣裂紋長(zhǎng)度增大到1.77 mm，試樣抗熱裂性能非但沒有進(jìn)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(dāng)釩含量x=0.3%時(shí)，試樣的磨損體積最?。?9×10?3mm3），較不添加釩時(shí)，磨損體積減小16×10?3mm3；當(dāng)釩含量進(jìn)一步增大時(shí)，試樣的磨損體積非但沒有進(jìn)一步減小，反而有所增大，當(dāng)釩含量提高x=0.5% 時(shí)，試樣磨損體積增大到29×10?3mm3，試樣抗熱裂性能非但沒有進(jìn)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(dāng)釩含量x=0（不添加釩，圖2(a)）時(shí)，試樣磨損情況最嚴(yán)重，試樣表面較多體積較大的凹坑以及較多的粗大磨痕。當(dāng)釩含量x=0.3%（圖2 (d)）時(shí)，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(xì)。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(duì)比可以看出，當(dāng)試樣中不添加合金元素釩（圖3(a)，x=0）時(shí)，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(dāng)試樣中添加合金元素釩后，試樣內(nèi)部晶粒得到細(xì)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(shì)。當(dāng)試樣中合金元素釩含量x=0.3%時(shí)，試樣內(nèi)部晶粒最細(xì)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(duì)比可以看出，當(dāng)試樣中不添加合金元素釩（圖4(a)，x=0）時(shí)，試樣中除了細(xì)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(dāng)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(xì)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(xì)化后粗化的變化趨勢(shì)。當(dāng)試樣中合金元素釩含量x=0.3%時(shí)，試樣內(nèi)部碳化物最為細(xì)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(xì)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?yàn)樵?CrNiMo 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(diǎn)很高的碳化物，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化效果，同時(shí)也可以促使模具鋼試樣在高溫條件下仍可以保持較為細(xì)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(dāng)模具鋼試樣中添加的合金元素釩含量較低時(shí)，釩的積極作用難以充分發(fā)揮；適當(dāng)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(xì)小的、均勻分布的內(nèi)部組織，同時(shí)獲得彌散分布的、細(xì)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(xì)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(xì)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(dāng)釩含量x=0.3%時(shí)，5CrNiMoVx模具鋼試樣的裂紋長(zhǎng)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?jī)?yōu)選為x=0.3%。