基于JmatPro的熱鍛模具鋼55NiCrMoV7熱物理性能預測

尹 慧，翟瑞志，滕樹滿

（1.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川德陽 618000；2.廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西柳州 545000）

1 引言

熱鍛模是制造業的基礎裝備，提升熱鍛模性能與服役壽命對國家制造業整體水平的提升意義重大[1]。熱鍛模惡劣的服役環境對模具制造材料提出了高要求[2]。由于具有良好的高溫力學性能，55NiCrMoV7鋼被廣泛應用于熱鍛模的制造。近年來，學者對該鋼種的性能及制造工藝進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間對該模具鋼組織及硬度的關系[3]；武川德等研究了該模具鋼的熱變形行為及流動應力模型，為塑性成形工藝優化提供指導[4]。然而，受限于真實實驗成本較高等因素，55NiCrMoV7模具鋼的熱物理性能參數數據庫仍不豐富，阻礙了其熱加工工藝的深入研究與優化。而應用材料熱力學計算軟件JMatPro可實現該鋼種的熱物理性能參數計算預測，豐富材料熱物理性能數據庫，為熱鍛模的成形及熱處理工藝優化提供基礎性指導。本文基于熱力學軟件JMatPro7.0通用鋼模塊軟件對熱鍛模用鋼55NiCrMoV7的平衡相圖及熱物理性能參數進行了預測，獲得了該鋼種在不同溫度下的密度、比熱容、熱導率、線膨脹系數、泊松比，楊氏模量等參數，為模具的塑性成形及熱處理工藝優化提供基礎材料參數。

2 55NiCrMoV7鋼成分及平衡相計算

55NiCrMoV7鋼成分如表1所示[5]。將化學成分輸入JmatPro7.0軟件將根據熱力學原理算計算自動繪制鋼的從室溫至1,600℃平衡相圖，如圖1、圖2所示。根據55NiCrMoV7 鋼的平衡相圖可知，相圖共有10 個相區，主要為液相區、奧氏體區和鐵素體區。55NiCrMoV7鋼的奧氏體化臨界溫度Ac1=728.32℃，Ac3=778.53℃。當加熱溫度達到1482.81℃時模具鋼完全熔化至液態，即液相線溫度;由液相線溫度降至1400.00℃時，55NiCrMoV7 鋼發生完全固液相變轉變為單相奧氏體。當溫度高于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算與分析

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

圖3 密度隨溫度變化關系圖

圖4 比熱容隨溫度變化關系圖

圖5 楊氏模量隨溫度變化關系圖

圖6 泊松比隨溫度變化關系圖

根據熱力學計算結果，55NiCrMoV7 模具鋼的密度和楊氏模量與溫度呈負相關關系，在室溫時分別達到最大值8.0g/cm3與203.23GPa，而當鋼熔化后兩數值均顯著降低。而55NiCrMoV7模具鋼的熱導率與泊松比與溫度均呈現正相關的趨勢，在室溫時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℃范圍內模具鋼中鐵素體發生較大程度的相變轉變為奧氏體，相變導致材料的熱物理屬性產生顯著變化曲線產生了波動。

4 55NiCrMoV7模具鋼的TTA/CCT曲線熱力學計算及分析

TTA 圖是材料在連續加熱過程中奧氏體形成的動力學圖，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系，對熱鍛模的加熱工藝調控有較大指導意義。55NiCrMoV7模具鋼的TTA圖由軟件計算并自動繪制，如圖7所示。根據TTA 圖可以總結出，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 軟件計算得到如圖8 所示的55NiCrMoV7 模具鋼的CCT 曲線，該曲線對熱鍛模鍛后熱處理工藝具有重要的指導意義。根據模具鋼CCT 圖可以看出，馬氏體開始轉變溫度（Ms）為275.5℃，轉變至50%馬氏體和90%馬氏體時溫度分別為236.86℃和158.6℃; 貝氏體（B）轉變溫度為542.7℃；珠光體（P）轉變溫度為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性能調控提供指導。在冷卻速度較低時，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）。持續增大冷卻速度將降低模具鋼在高溫轉變區的停留時間，抑制鐵素體（F）與珠光體（P）組織的形核與長大，這促進了高溫奧氏體組織（A）向貝氏體組織（B）轉變。持續增加冷卻速率至2℃/s時，馬氏體組織（M）與殘余奧氏體（A）開始出現，這為模具鋼馬氏體形核條件的研究提供了基礎。在冷速大于10℃/s 時，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 結論

本文基于軟件JmatPro7.0 對55NiCrMoV7 模具鋼的熱物理性能進行了熱力學計算與分析，獲得了該鋼種的平衡相圖，TTA/CCT 曲線等基礎材料參數，以期為熱鍛模的熱加工工藝提供指導，結果如下：

（1）55NiCrMoV7 模具鋼室溫時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參數中，密度與楊氏模量與溫度呈現負相關趨勢，而比熱容與泊松比隨溫度呈正相關趨勢。

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

726.4℃。