基于JmatPro的熱鍛模具鋼55NiCrMoV7熱物理性能預(yù)測(cè)

尹 慧，翟瑞志，滕樹滿

（1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川德陽(yáng) 618000；2.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州 545000）

1 引言

熱鍛模是制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備，提升熱鍛模性能與服役壽命對(duì)國(guó)家制造業(yè)整體水平的提升意義重大[1]。熱鍛模惡劣的服役環(huán)境對(duì)模具制造材料提出了高要求[2]。由于具有良好的高溫力學(xué)性能，55NiCrMoV7鋼被廣泛應(yīng)用于熱鍛模的制造。近年來，學(xué)者對(duì)該鋼種的性能及制造工藝進(jìn)行了一定研究并獲得了一定成果：如張占平等研究了回火溫度與時(shí)間對(duì)該模具鋼組織及硬度的關(guān)系[3]；武川德等研究了該模具鋼的熱變形行為及流動(dòng)應(yīng)力模型，為塑性成形工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)[4]。然而，受限于真實(shí)實(shí)驗(yàn)成本較高等因素，55NiCrMoV7模具鋼的熱物理性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)仍不豐富，阻礙了其熱加工工藝的深入研究與優(yōu)化。而應(yīng)用材料熱力學(xué)計(jì)算軟件JMatPro可實(shí)現(xiàn)該鋼種的熱物理性能參數(shù)計(jì)算預(yù)測(cè)，豐富材料熱物理性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為熱鍛模的成形及熱處理工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。本文基于熱力學(xué)軟件JMatPro7.0通用鋼模塊軟件對(duì)熱鍛模用鋼55NiCrMoV7的平衡相圖及熱物理性能參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，獲得了該鋼種在不同溫度下的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、泊松比，楊氏模量等參數(shù)，為模具的塑性成形及熱處理工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)材料參數(shù)。

2 55NiCrMoV7鋼成分及平衡相計(jì)算

55NiCrMoV7鋼成分如表1所示[5]。將化學(xué)成分輸入JmatPro7.0軟件將根據(jù)熱力學(xué)原理算計(jì)算自動(dòng)繪制鋼的從室溫至1,600℃平衡相圖，如圖1、圖2所示。根據(jù)55NiCrMoV7 鋼的平衡相圖可知，相圖共有10 個(gè)相區(qū)，主要為液相區(qū)、奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)。55NiCrMoV7鋼的奧氏體化臨界溫度Ac1=728.32℃，Ac3=778.53℃。當(dāng)加熱溫度達(dá)到1482.81℃時(shí)模具鋼完全熔化至液態(tài)，即液相線溫度;由液相線溫度降至1400.00℃時(shí)，55NiCrMoV7 鋼發(fā)生完全固液相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體。當(dāng)溫度高于737.67℃模具鋼中的滲碳體完全溶解。

圖1 55NiCrMoV7鋼在0~1,500℃平衡相圖平衡相圖

圖2 55NiCrMoV7鋼在中低溫下的平衡相圖

表1 55NiCrMoV7鋼的化學(xué)成分 %

為了研究該合金在室溫下的相組成，將圖1 的平衡相圖左下角進(jìn)行局部放大，得到如圖2 所示的55NiCrMoV7 鋼在室溫下的平衡相圖。據(jù)此可得，該合金在室溫下的相組成及組成含量分別為：鐵素體91.12%、滲 碳 體5.53%、M2（C,N）相1.9%、M7C3相1.06%、M（C,N）相0.34%、M2P相0.0316%。

3 55NiCrMoV7模具鋼熱物理性能計(jì)算與分析

材料在不同溫度下的熱物理性能是重要的基礎(chǔ)參數(shù)。本節(jié)利用JmatPro 軟件計(jì)算了經(jīng)750℃退火后55NiCrMoV7 模具鋼的熱物理性能與溫度的變化關(guān)系，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 密度隨溫度變化關(guān)系圖

圖4 比熱容隨溫度變化關(guān)系圖

圖5 楊氏模量隨溫度變化關(guān)系圖

圖6 泊松比隨溫度變化關(guān)系圖

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，55NiCrMoV7 模具鋼的密度和楊氏模量與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在室溫時(shí)分別達(dá)到最大值8.0g/cm3與203.23GPa，而當(dāng)鋼熔化后兩數(shù)值均顯著降低。而55NiCrMoV7模具鋼的熱導(dǎo)率與泊松比與溫度均呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，在室溫時(shí)兩物理量均有極小值，分別為19.76W/（m·K）與0.291。由于在617.36℃～782.31℃范圍內(nèi)模具鋼中鐵素體發(fā)生較大程度的相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，相變導(dǎo)致材料的熱物理屬性產(chǎn)生顯著變化曲線產(chǎn)生了波動(dòng)。

4 55NiCrMoV7模具鋼的TTA/CCT曲線熱力學(xué)計(jì)算及分析

TTA 圖是材料在連續(xù)加熱過程中奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)圖，該圖描述了鋼在加熱至奧氏體過程中，加熱速度、溫度與奧氏體化程度之間的關(guān)系，對(duì)熱鍛模的加熱工藝調(diào)控有較大指導(dǎo)意義。55NiCrMoV7模具鋼的TTA圖由軟件計(jì)算并自動(dòng)繪制，如圖7所示。根據(jù)TTA 圖可以總結(jié)出，提高55NiCrMoV7 模具鋼的升溫速度，Ac1、Ac3和奧氏體均勻化溫度均不斷地升高，且提高升溫速度可加速55NiCrMoV7模具鋼碳元素的擴(kuò)散，加快奧氏體均勻化過程。

圖7 55NiCrMoV7模具鋼TTA圖

使用JMatPro 軟件計(jì)算得到如圖8 所示的55NiCrMoV7 模具鋼的CCT 曲線，該曲線對(duì)熱鍛模鍛后熱處理工藝具有重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)模具鋼CCT 圖可以看出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）為275.5℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時(shí)溫度分別為236.86℃和158.6℃; 貝氏體（B）轉(zhuǎn)變溫度為542.7℃；珠光體（P）轉(zhuǎn)變溫度為726.4℃。

圖8 55NiCrMoV7模具鋼的CCT曲線

此外，還模擬了使用JMatPro 軟件計(jì)算了的55NiCrMoV7 模具鋼在不同冷卻速率下的組織組成，如表2所示，為熱鍛模熱處理后的顯微組織與力學(xué)性能調(diào)控提供指導(dǎo)。在冷卻速度較低時(shí)，55NiCrMoV7模具鋼的微觀組織主要為珠光體（P）組織，并伴有少量鐵素體（F）。持續(xù)增大冷卻速度將降低模具鋼在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)的停留時(shí)間，抑制鐵素體（F）與珠光體（P）組織的形核與長(zhǎng)大，這促進(jìn)了高溫奧氏體組織（A）向貝氏體組織（B）轉(zhuǎn)變。持續(xù)增加冷卻速率至2℃/s時(shí)，馬氏體組織（M）與殘余奧氏體（A）開始出現(xiàn)，這為模具鋼馬氏體形核條件的研究提供了基礎(chǔ)。在冷速大于10℃/s 時(shí)，55NiCrMoV7 模具鋼室溫組織不含鐵素體（F）與珠光體（P）組織，貝氏體（B）組織的含量隨冷卻速度的持續(xù)升高不斷降低，微觀組織主要為馬氏體（M），這將顯著提升材料的硬度。

表2 不同冷卻速率下55NiCrMoV7模具鋼各相含量

5 結(jié)論

本文基于軟件JmatPro7.0 對(duì)55NiCrMoV7 模具鋼的熱物理性能進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算與分析，獲得了該鋼種的平衡相圖，TTA/CCT 曲線等基礎(chǔ)材料參數(shù)，以期為熱鍛模的熱加工工藝提供指導(dǎo)，結(jié)果如下：

（1）55NiCrMoV7 模具鋼室溫時(shí)平衡組織及含量分別為：鐵素體91.12%、滲碳體5.53%、M2（C,N）相1.9% 、M7C3相1.06% 、M（C,N）相0.34% 、M2P 相0.0316%。

（2）55NiCrMoV7模具鋼的熱物理性質(zhì)參數(shù)中，密度與楊氏模量與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，而比熱容與泊松比隨溫度呈正相關(guān)趨勢(shì)。

（3）根據(jù)55NiCrMoV7 模具鋼的CCT 相圖計(jì)算，冷卻速度大于2℃/S 時(shí)有馬氏體相析出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）為275.5℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時(shí)溫度分別為236.86℃和158.6℃；貝氏體（B）轉(zhuǎn)變溫度為542.7℃；珠光體（P）轉(zhuǎn)變溫度為

726.4℃。