奧氏體化溫度對4Cr5Mo2V熱作模具鋼耐磨性的影響

2021-02-15 12:57:02吳日銘李方杰項少松

模具工業 2021年12期

胡濤，吳日銘，李方杰，項少松，黃山

（1.上海工程技術大學材料工程學院，上海 201600；2.上海市激光先進制造技術協同創新中心，上海 201600）

0 引言

DIEVAR鋼因具有良好的綜合力學性能[1-3]被廣泛應用于壓鑄模、熱沖模、熱鍛模等。4Cr5Mo2V的成分接近于DIEVAR鋼種，因此以4Cr5Mo2V作為研究鋼種。由于熱作模具鋼的工作環境惡劣，不僅要承受高沖擊、高對磨，還要承受超高次數的冷熱循環交替，導致其易出現開裂[4-6]、磨損[7-9]等缺陷。由模具零件表面磨損引起的劃痕會在產品表面留下印痕，影響成形產品的質量，因此提高模具鋼的耐磨性能，可降低模具零件的表面粗糙度。通常提升模具鋼綜合力學性能的方法是改進熱處理工藝[2]或改進合金元素配比[10,11]。研究表明，V在鋼中可以與C形成高熱穩定性VC而提高鋼的硬度[12-14]，因此在熱作模具鋼服役過程中，VC可以作為強化相來提高其耐磨性。同時鋼的耐磨性還取決于微觀結構[15,16]，奧氏體化溫度能改變VC的固溶/析出比率，影響4Cr5Mo2V熱作模具鋼的組織及性能。因此，有必要研究奧氏體化溫度對4Cr5Mo2V熱作模具鋼耐磨性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗鋼制備及熱處理

采用真空感應熔煉爐制備20 kg/支的試驗鋼錠，退火后去除表面氧化皮和縮孔部分；采用天然氣加熱爐將其加熱至1 240℃并保溫2 h，三向鍛打至25 mm（厚）×55 mm（寬）的鋼條后進行球化退火。4Cr5Mo2V熱作模具鋼的化學成分如表1所示。

表1 4Cr5Mo2V熱作模具鋼化學成分質量分數

在退火4Cr5Mo2V熱作模具鋼的試樣上切取6個20 mm×20 mm×30 mm的小鋼塊，利用箱式電阻爐加熱，分別在960、980、1 000、1 020、1 040、1 060 ℃保溫1 h后油淬，切取試樣進行組織觀察，測試硬度。然后統一將6個不同淬火溫度下的4Cr5Mo2V熱作模具鋼試樣進行600℃二次回火，每次回火保溫2 h，采集微觀組織形貌及測量其洛氏硬度。

1.2 試驗方法

采用HR-150A洛氏硬度計對淬火態及回火態試樣進行硬度測試，將每個試樣進行砂紙打磨，避免表面粗糙度對硬度測量的影響，每組試樣測量6個點，去除最高值和最低值后取平均值。將硬度試樣經過砂紙打磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，并用倒置三目金相顯微鏡4XCJX觀察試樣的顯微組織。隨后金相試樣經丙酮用超聲波清洗再通過掃描電子顯微鏡（SEM）進行組織表征，使用的掃描電子顯微鏡型號為FEI Quanta 250。將不同溫度淬火并600℃回火后的試樣進行砂紙打磨后，采用UMT-3摩擦磨損試驗機進行常溫摩擦磨損試驗，試驗載荷為50 N，轉速設置為100 r/min，旋轉直徑為φ5 mm，摩擦副材料為氮化硅，用VHK-600K數碼顯微鏡和FEI Quanta 250掃描電鏡進行磨損形貌觀察。

2 試驗結果

2.1 奧氏體化溫度與析出相質量分數的關系

由JmatPro軟件計算的4Cr5Mo2V熱作模具鋼奧氏體化溫度與析出相摩爾質量的關系如圖1所示。由圖1可知，隨著淬火溫度的升高，4Cr5Mo2V熱作模具鋼中的M23C6型碳化物在600～830℃保持穩定，其質量分數為7.15%；當溫度在830～850℃時，M23C6型碳化物在鋼中的含量驟降；當溫度為925℃時，M23C6在鋼中徹底消失。M6C型碳化物在鋼中的存在溫度范圍為600～800℃及820～970℃，MC型碳化物存在的溫度范圍為600～1 050℃。當奧氏體化溫度在970℃以上時，只有難溶的MC型碳化物，而M23C6、M6C型碳化物均溶于奧氏體中。值得注意的是難溶MC型碳化物的溶解溫度也是4Cr5Mo2V熱作模具鋼的完全奧氏體化溫度。

圖1 奧氏體化溫度與析出相質量分數的關系

2.2 硬度

由圖2（a）可知，4Cr5Mo2V熱作模具鋼的淬火硬度隨淬火溫度的升高逐漸升高，在1 020℃淬火溫度下的硬度峰值為58 HRC。由圖2（b）可以看到4Cr5Mo2V熱作模具鋼經不同溫度淬火然后在600℃回火后的硬度隨著淬火溫度的升高，也呈現逐漸升高的趨勢。

圖2 4Cr5Mo2V熱作模具鋼的硬度隨淬火溫度變化曲線

2.3 微觀組織形貌

由圖3（a）可以看到4Cr5Mo2V熱作模具鋼經1 020℃淬火后的組織為馬氏體，且在每條板條束上分布著許多碳化物顆粒。在圖3（b）中發現4Cr5Mo2V熱作模具鋼經1 060℃淬火后，奧氏體化基本完成，馬氏體基體上未觀察到碳化物，且由于奧氏體化溫度的升高，板條馬氏體較1 020℃淬火時更粗大，結果與圖1中JmatPro軟件計算的碳化物溶解結果相符。

圖3 4Cr5Mo2V熱作模具鋼經1 020℃及1 060℃淬火的回火SEM組織及能譜分析

由圖4金相組織可知，經960、980、1 000℃淬火并600℃回火后，4Cr5Mo2V熱作模具鋼金相組織晶界渾濁，且由于淬火溫度較低，有大量初生碳化物存在，影響了晶界的清晰度。當淬火溫度進一步提升至1 020、1 040、1 060℃時，發現晶界逐漸清晰，晶粒粗化，馬氏體板條粗化。

圖4 經不同溫度淬火并600℃回火后的金相組織

2.4 摩擦系數與磨損量

由圖5（a）、（b）可知，4Cr5Mo2V熱作模具鋼的摩擦過程經歷了2個階段，首先是跑合階段[17]，4Cr5Mo2V熱作模具鋼表面的微凸面與摩擦副接觸，使摩擦系數急劇增加，然后是穩定階段，由于摩擦產生的磨屑逐漸被壓實后，磨損趨于穩定。4Cr5Mo2V熱作模具鋼經960、980、1 000、1 020、1 040、1 060℃淬火并600℃回火后的平均摩擦系數分別為0.35、0.4、0.52、0.32、0.22、0.6。

圖5 4Cr5Mo2V熱作模具鋼經不同溫度淬火并600℃回火后的摩擦系數及磨損量

磨損量是評定材料耐磨性的重要指標，圖5（c）所示為不同淬火溫度的4Cr5Mo2V熱作模具鋼磨損量。由圖5（c）可知，4Cr5Mo2V熱作模具鋼隨著淬火溫度的提高，磨損量呈現逐漸變小的趨勢。在960℃淬火時，磨損量取得最大值為1.0 mg，在1 060℃淬火時，磨損量取得最小值為0.2 mg，即隨著淬火溫度的升高，4Cr5Mo2V熱作模具鋼的耐磨性越好。

2.5 磨損表面形貌

由圖6中4Cr5Mo2V熱作模具鋼的超景深摩擦磨損形貌可以看出，其摩擦磨損類型主要為黏著磨損和剝層磨損2種[18]。在摩擦磨損過程中，磨損表面形成了如圖 6（a）、（d）中的剝落層、圖 6（c）中的黏著磨損形成的磨損溝槽、圖6（e）中的附著物。根據圖7發現，磨損表面存在黏著磨損特征的塑性變形區，剝落的磨屑在載荷的作用下往復運動使4Cr5Mo2V熱作模具鋼的磨損表面出現較深犁溝，形成了剝層磨損，并將氧化物向犁溝兩側擠壓形成較為致密的氧化層。這是由于在摩擦載荷的作用下，試驗鋼與摩擦副之間的滑動及滾動所產生的局部應力集中，導致微裂紋沿磨損方向擴展形成了磨屑，而磨屑引起微切削，導致犁溝的形成。微裂紋、微切削是材料磨損的主要因素[19-21]，材料的磨損以磨屑的形式被移除[22]。比較圖 7（a）～（c）可以發現4Cr5Mo2V熱作模具鋼經1 020℃淬火產生的剝層現象最嚴重，經1 040℃淬火次之，經1 060℃淬火產生的剝層現象最輕。

圖6 4Cr5Mo2V熱作模具鋼經不同溫度淬火并600℃回火后的摩擦磨數碼顯微形貌

圖7 4Cr5Mo2V熱作模具鋼經不同溫度淬火并600℃后回火后的摩擦磨損SEM形貌

3 討論

試驗結果顯示，隨著奧氏體化溫度的提高，不同類型的碳化物溶入基體，增強了固溶強化，試驗鋼的硬度隨著淬火溫度的升高而增加，如圖2所示。由1 040℃繼續升溫時，碳化物溶入基體數量減少，奧氏體化進一步進行，殘余奧氏體的數量不斷增加且晶粒粗大，進而導致板條馬氏體粗化現象[23]。由圖1可知，4Cr5Mo2V熱作模具鋼在1 050℃實現了奧氏體完全化，即MC型碳化物完全融入奧氏體。MC型碳化物主要為富V型碳化物，即VC[24]，結合圖1和圖3（c）能譜分析，也證明了MC型碳化物為富V碳化物VC。由圖2（b）可知，試驗鋼經不同的溫度淬火后，600℃的回火硬度隨淬火溫度的升高而增加，這是由于4Cr5Mo2V熱作模具鋼在奧氏體化過程中，隨著溫度的升高，初生碳化物逐漸溶入奧氏體中，消除了初生碳化物對二次碳化物析出的影響，增強了二次碳化物產生的析出強化及彌散強化效果，如圖8所示，奧氏體完全化后，無液相析出VC時，經回火能夠析出更多且彌散的VC。

由圖5（a）、（b）可知，4Cr5Mo2V熱作模具鋼在1 060℃取得最大摩擦系數0.6，在1 040℃取得最小摩擦系數0.22。而高摩擦系數是由于基體被移除部分形成的粒狀磨屑，呈不規則狀，嵌入基體后，增加了摩擦阻力，使摩擦系數增大。低摩擦系數是由于黏著磨損能起到潤滑作用，降低了摩擦阻力，使摩擦系數降低。由圖5（c）可知，隨著淬火溫度的升高，4Cr5Mo2V熱作模具鋼的磨損量逐漸減小，1 060℃淬火時的耐磨性最好，仍有磨損量是因為尺寸更大的硬質碳化物引起的微切削所致。結合圖1中JmatPro軟件計算結果，4Cr5Mo2V熱作模具鋼的奧氏體完全化溫度為1 050℃。即960、980、1 000、1 020、1 040、1 060 ℃淬火過程中，析出VC不斷固溶入基體，奧氏體化溫度影響了VC的固溶/析出比率，如圖8所示。奧氏體化后液相析出難溶碳化物VC的存在使得4Cr5Mo2V熱作模具鋼的耐磨性減弱。而研究表明回火析出的VC有高的熱穩定性[24-26]，在磨損過程中不會粗化，使基體表面磨損保持為輕微磨損[27]。結合圖2和圖5（c）可以發現，隨著淬火溫度的升高，硬度增大，耐磨性增加，這與參考文獻[28，29]研究得到的結果一致，即高的材料表面硬度能增強材料表面的耐磨性。