一種新型高碳高鉻冷作模具鋼的開發

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Cr12和Cr12-Mo-V 兩種類型，Cr12 型含碳量高達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，開發了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，加入適量的氮進一步細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、沖擊韌性方面進行了研究，并與Cr12和Cr12MoV進行了對比分析。

2 試驗用料

試驗用料的化學成分如表1所示。

表1 試驗用料的化學成分 %

對比表1 中Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 的合金化特點，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。

試驗用料為φ120mm 退火材，生產工藝流程：EAF+LF+VD冶煉→模鑄鋼錠→精鍛機成材→鋼材退火→取片檢驗，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 試驗用料的顯微組織

2 試驗方法及結果分析

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]。試驗用料在半徑二分之一處取樣，按GB/T14979標準第四評級圖進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，呈網狀分布，評級分別為3.5級、4.0 級、3.5 級，共晶碳化物數量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℃淬火硬度達到最高為66HRC、65.5HRC、64.5HRC，進行淬火組織觀察，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，其碳化物數量多且顆粒大，Cr12MoV淬火溫度高，碳化物溶解的多而數量減少且顆粒變小，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化晶粒作用，還可固溶于馬氏體中起到硬化和強化作用，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℃時硬度達到峰值出現了輕微的二次硬化，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℃出現二次硬化峰值，所以Cr10VN 回火穩定性好于Cr12 比Cr12MoV 略差。

2.4 沖擊韌性

對Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 進行沖擊功對比試驗，半徑二分之一處切割11×11×55mm縱向試樣進行熱 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 縱向沖擊功測試結果。

表2 縱向沖擊功測試結果

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較高且基本相當為25.1~32.4J和27.9~33.3J，Cr12MoV由于含有鉬和釩合金元素可細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一步細化晶粒提高韌性，而Cr12不含鉬和釩沖擊韌性較差，所以，Cr10VN、Cr12、Cr12MoV 在硬度相當情況下，Cr10VN與Cr12MoV沖擊韌性相當且好于Cr12。

3 結論

（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 相當高于Cr12，980℃淬火+200℃回火后，縱向沖擊功為25.1~32.4J。