CR6V模具鋼組織與性能的研究

孟孜晗，吳英杰，吳日銘

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

熱作模具鋼是熱態(tài)金屬或液態(tài)金屬成形的模具用鋼，一般用于熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三大類。其主要特點(diǎn)是在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常與再結(jié)晶溫度以上的金屬接觸，這也是與冷作模具鋼的主要區(qū)別[1]。熱作模具鋼使用環(huán)境惡劣，不僅要承受高溫載荷，還要承受激冷激熱，因此會(huì)出現(xiàn)表面氧化、熱機(jī)械疲勞、高溫磨損、開裂等[2-7]，這就要求熱作模具鋼具有良好的熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能[8]。熱成形模具鋼主要用于高溫下成形高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，結(jié)構(gòu)用鋼的拉伸強(qiáng)度高達(dá)1 500～2 000 MPa，這對(duì)熱成形模具鋼的綜合性能提出了更高的要求[9]。

針對(duì)熱成形模具鋼復(fù)雜的服役條件、失效形式及其原因，應(yīng)將熱成形模具鋼作為特殊用途的熱作模具鋼，需具備優(yōu)越的合金配比與配套工藝，保證其使用壽命和性能。不同合金元素在熱成形模具鋼中具有不同作用[10-14]，形成的Mo、V類強(qiáng)碳化物合金元素含量較低時(shí)，固溶于鐵素體中起到固溶強(qiáng)化作用，含量較多時(shí)從過飽和固溶體中析出而形成合金碳化物。其中V在回火過程中，能從淬火馬氏體基體上彌散析出，且不易聚集長大、粗化，增強(qiáng)鋼的回火穩(wěn)定性，所以V是提升熱成形模具鋼高溫強(qiáng)度和韌性的關(guān)鍵元素。但是有研究發(fā)現(xiàn)[15-17]，過多的V會(huì)在高溫緩冷階段產(chǎn)生較多大顆粒未溶碳化物，使鋼的脆性升高，韌性下降；另一方面，會(huì)使鋼的回火軟化加快，強(qiáng)度降低，使鋼的強(qiáng)韌性都降低，且由于V價(jià)格高，添加過多的V會(huì)造成生產(chǎn)成本增高。Si對(duì)鐵素體進(jìn)行固溶強(qiáng)化較有效，僅次于P，但過高的Si含量在一定程度上會(huì)降低鋼的韌性和塑性，同時(shí)Si容易使鋼出現(xiàn)帶狀組織，使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度升高，一般都將Si含量限制在鋼脫氧需要的范圍。Cr在鋼中既能與C形成鉻碳化合物，也能固溶在基體中起固溶強(qiáng)化作用。鉻碳化合物能提高鋼的耐磨性和耐蝕性，在鋼中適量添加Cr還能增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，提高鋼的淬透性。在H13鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上通過降低V、Si，提高Cr含量的方法開發(fā)新型熱作模具鋼CR6V，并研究CR6V鋼和H13鋼在同等試驗(yàn)條件下的組織與性能差異。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和熱處理方法

所用CR6V鋼和H13鋼的制備工藝為電爐熔煉→電渣重熔→多向鍛打→球化退火，球化退火溫度為860℃，其化學(xué)成分如表1所示。分別切割CR6V鋼和H13鋼試樣5塊，尺寸為30 mm×30 mm×60 mm。JMatPro軟件模擬獲得2種材料的Ac1、Ac3、Ms、Mf溫度點(diǎn)用作熱處理的工藝參考，如表2所示。將試樣樣塊在空氣爐中加熱至1 030℃，保溫2 h，油淬至室溫。淬火后的CR6V鋼和H13鋼的硬度分別為53.5、52.7 HRC，將淬火后的樣塊分別在520、540、560、580、600℃回火2 h，最后空冷至室溫。

表1 CR6V鋼和H13鋼化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 CR6V鋼和H13鋼相轉(zhuǎn)變溫度

1.2 硬度與沖擊及摩擦磨損與顯微組織評(píng)價(jià)

將熱處理后的試樣打磨脫碳層并拋光，采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測試不同回火態(tài)試樣的硬度，取5個(gè)測量點(diǎn)的均值。采用7 mm×10 mm×55 mm無缺口沖擊樣品，使用452D-2金屬擺錘沖擊試驗(yàn) 機(jī) 測 量CR6V鋼 和H13鋼520、540、560、580、600℃回火試樣的沖擊性能，取3塊試樣的平均值。在UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試耐磨性能試驗(yàn)鋼的試樣尺寸為φ15 mm×5 mm，采用鋼球?qū)δy試材料的耐磨性，鋼球下壓力為5 N，持續(xù)時(shí)間30 min。沖擊測試的試樣端部經(jīng)砂紙打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液侵蝕后采用4XCJX倒置三目光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。金相試樣用無水酒精超聲波清洗后采用掃描電鏡點(diǎn)掃進(jìn)行回火組織表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回火態(tài)硬度

圖1所示為CR6V鋼和H13鋼在520～600℃回火2 h的硬度曲線。由圖1可知，2種鋼的硬度都呈下降趨勢，且CR6V鋼相較于H13鋼平均硬度低1～4 HRC。CR6V鋼在520～540℃及580～600℃內(nèi)硬度下降趨勢明顯，在540～580℃內(nèi)硬度下降趨勢平緩；H13鋼在520～580℃內(nèi)硬度呈穩(wěn)步下降趨勢，在580～600℃內(nèi)硬度下降明顯。

圖1 CR6V鋼和H13鋼在520～600℃回火2 h后硬度

圖2所示為CR6V鋼和H13鋼不同溫度回火2 h的沖擊功，從圖2可以看出，CR6V鋼相對(duì)于H13鋼具有更好的韌性，沖擊功明顯高于H13鋼。除了560℃，其余溫度回火的CR6V鋼沖擊韌性均高于H13鋼50～60 J左右，在硬度與沖擊測試中，CR6V鋼與H13鋼均在560℃時(shí)出現(xiàn)反常。

圖2 CR6V鋼和H13鋼不同回火溫度2 h后沖擊功

圖3所示為CR6V鋼和H13鋼分別在560℃和600℃回火2、4、9、15、20、25 h后得到的硬度曲線。從圖3可以看出，CR6V鋼和H13鋼硬度在總體上呈現(xiàn)下降趨勢，CR6V鋼總體硬度低于H13。其中，H13鋼在560℃和600℃保溫時(shí)間小于15 h時(shí)，硬度下降先快后慢，曲線隨后變得平緩，硬度趨于47 HRC（560℃）和38 HRC（600℃），而CR6V鋼則在保溫20 h后曲線才開始平緩，硬度趨于45 HRC（560℃）和34 HRC（600℃）。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著保溫時(shí)間的延長，2種鋼的硬度都呈現(xiàn)下降趨勢，而隨著回火溫度的提高，硬度下降的幅度越來越大，最終的硬度也越低。整體上比較，CR6V鋼的硬度變化范圍略大于H13鋼，前者的硬度下降幅度也更急劇。

圖3 CR6V鋼和H13鋼在不同時(shí)間回火后的硬度曲線

2.2 退火態(tài)顯微組織

圖4所示為CR6V鋼和H13鋼的球化退火光學(xué)顯微組織。退火處理的目的是使鋼中組織和成分更加均勾，在后續(xù)的熱處理過程中，合金元素會(huì)更均勻地固溶進(jìn)奧氏體基體中，另外也有利于后期的模具零件機(jī)加工。從圖4可以看出，2種試驗(yàn)鋼退火態(tài)組織為鐵素體上均勻分布大量的細(xì)小碳化物。相對(duì)而言，CR6V鋼比H13鋼具有更細(xì)小的晶粒組織，碳化物更細(xì)小彌散。

圖4 CR6V鋼與H13鋼退火態(tài)顯微組織

在SEM電鏡下觀察2種鋼的球化退火組織，如圖5、圖6所示。CR6V鋼和H13鋼含有較多的未溶碳化物，且CR6V鋼相對(duì)于H13鋼的未溶碳化物更密集，顆粒密度更大。2種試驗(yàn)鋼的碳化物主要呈現(xiàn)為球狀或橢球狀。經(jīng)EDS能譜分析可得，2種試驗(yàn)鋼的碳化物均為富Cr、Mo型碳化物，同時(shí)含有少量的V，由此推斷，2種試驗(yàn)鋼退火態(tài)的析出相可能為Cr23C6、Mo2C或Cr7C3、MoC和VC[18,19]。Fe的出現(xiàn)是因?yàn)閽呙璧墓獍甙霃匠隽颂蓟锏某叽?，測到了基體的成分，故不分析。

圖5 CR6V鋼退火態(tài)SEM組織及EDS能譜

圖6 H13鋼退火態(tài)SEM組織及EDS能譜

圖7所示為CR6V鋼與H13鋼分別在560℃和600℃回火2 h后的SEM組織，從圖7可以看出，在560℃時(shí)，CR6V鋼和H13鋼可以看到清晰的馬氏體組織，且馬氏體基體上彌散著少量細(xì)小的碳化物。隨著回火溫度的提高，600℃回火碳化物析出數(shù)量比560℃更多，同時(shí)伴隨著碳化物的長大粗化，600℃回火的板條馬氏體恢復(fù)程度比560℃稍大，且2種試驗(yàn)鋼在600℃時(shí)，球狀碳化物的數(shù)量也開始增多。相對(duì)于H13鋼，CR6V鋼的馬氏體恢復(fù)程度更小，晶粒也更加細(xì)致均勻。

圖7 CR6V鋼與H13鋼在560℃與600℃的SEM組織

圖8所示為CR6V鋼與H13鋼分別在560℃和600℃回火2 h后的EDS能譜，由圖8（a）、（b）可知，CR6V鋼馬氏體基體上的碳化物類型為富Cr型碳化物，Cr含量在560℃和600℃時(shí)分別達(dá)到10.29%、19.05%。而H13鋼馬氏體基體上的碳化物種類則為富V型碳化物，V含量在560℃和600℃時(shí)分別達(dá)到24.98%、21.26%

圖8 CR6V鋼與H13鋼在560℃與600℃的EDS能譜

2.3 摩擦磨損

圖9所示為CR6V鋼和H13鋼在600℃回火2 h后得到的摩擦系數(shù)變化曲線，CR6V鋼的摩擦系數(shù)要小于H13鋼。雖然磨損前期CR6V鋼的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)增長，但當(dāng)磨損時(shí)間超過1 000 s后，摩擦系數(shù)則趨于穩(wěn)定在0.3左右，并有繼續(xù)下降的趨勢。相對(duì)而言，H13鋼的摩擦系數(shù)在磨損前期同樣有較大的波動(dòng)，在0.4～0.8區(qū)間，磨損500 s后則穩(wěn)定在0.5～0.6。綜上所述，CR6V鋼具有更優(yōu)的耐磨性能。

圖9 CR6V鋼和H13鋼的摩擦系數(shù)變化曲線

3 結(jié)束語

（1）相同回火溫度下CR6V鋼在硬度上略低于H13鋼，在520～580℃內(nèi)，硬度平均低1～2 HRC，在600℃時(shí)擴(kuò)大到4 HRC，但沖擊功CR6V鋼比H13鋼高50～60 J。

（2）CR6V鋼通過增Cr降V、Si，使其基體組織中分布更加細(xì)小、彌散且數(shù)量更多的析出相，提高了CR6V鋼的抗沖擊和耐磨能力。

（3）綜合CR6V鋼的硬度、沖擊功和耐磨性能，且參考當(dāng)前的合金元素市場價(jià)格，認(rèn)為CR6V鋼比H13鋼具有更高的性價(jià)比。