釩含量對表面離子滲氮熱作模具鋼組織與性能的影響

陳 蒙, 吳日銘

(上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620)

0 引 言

隨著我國模具行業的迅速發展，熱作模具鋼的需求量越來越大，對其要求也越來越高。熱作模具包括熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等，在使用過程中內表面受高溫、壓力、磨損等作用，其工作條件相對惡劣，因此一般要求熱作模具鋼具有較高的表面硬度和耐磨性以避免發生磨損和斷裂[1]。滲氮工藝是一種使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝，可顯著提高熱作模具鋼的表面硬度、耐磨性及耐腐蝕性[2]。目前，常見的滲氮工藝有氣體滲氮、潔凈氮化、離子滲氮、兩段氮化等[3]。其中，離子滲氮具有滲氮速率快、工作環境好、易于控制、能耗小等優點，常用于對精密度要求較高的零件進行滲氮[4]。孫宇鋒等[5]研究發現，隨著離子滲氮時間的延長，4Cr5Mo2V熱作模具鋼表面粗糙度增大，離子氮化層減薄且疏松度增加，從而使其高溫磨損性能變差。GU等[6]研究了含氮(0.08%，質量分數)4Cr5Mo2V熱作模具鋼的顯微組織和強韌化機理，發現在合適的熱處理工藝條件下，氮的加入可以提高4Cr5Mo2V鋼的硬度和耐回火性，且不會造成韌性損失。

4Cr5Mo2V鋼是一種典型的含鉻量為5%(質量分數)的熱作模具鋼，具有優異的淬透性、熱強性和熱穩定性，目前已廣泛應用于多種輕合金壓鑄用模具制造中。4Cr5Mo2V鋼中的釩元素是二次硬化關鍵元素，具有熔點高、硬度高、可塑性強、不易氧化等優點[7-8]。將適量的合金元素釩添加到鋼材中，可以起到細化晶粒、降低過熱敏感性、提高強度和耐磨性等作用，從而能夠延長鋼制產品的使用壽命[9-10]。然而，釩的價格較為昂貴，在4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工業生產中為降低成本必須考慮釩元素的最佳配比。為此，作者參照傳統4Cr5Mo2V鋼的化學成分，制備了3種不同釩含量的熱作模具鋼，對其進行表面離子滲氮，研究了釩元素對離子滲氮熱作模具鋼的基體、滲氮層組織以及表面硬度、耐磨性的影響，以期為4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工業生產提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括純鉻、純鉬、純釩、純錳金屬粉末錠(由上海穆然實業發展有限公司提供)及純鐵錠(由上海西遠特殊鋼制品有限公司提供)。參照4Cr5Mo2V熱作模具鋼的化學成分，按照釩質量分數為0，0.55%，0.9%設計了3種不同釩含量的試驗鋼，其化學成分(質量分數/%)為0.35C，0.25Si，0.65Mn，5.00Cr，2.00Mo。根據上述配比，分別稱取原料，采用真空感應熔煉爐制備20 kg的鋼錠，退火后去除鋼錠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 ℃保溫2 h，隨后進行1 030 ℃油淬及580 ℃回火的調質處理，得到3種不同釩含量的調質態試驗鋼。采用線切割法在3種試驗鋼上分別截取尺寸為10 mm×10 mm×30 mm的長條狀試樣。使用碳化硅砂紙打磨并拋光后，將試樣分別在丙酮環境中超聲洗滌并吹干待用。

采用具有輔助陰極裝置的PINI-50型離子滲氮爐對3種試驗鋼進行離子滲氮處理。試驗前將爐內抽真空至約15 Pa，再充入體積分數90% NH3與體積分數2% CO2，維持爐內壓力在300 Pa左右。離子滲氮溫度為550 ℃，克努森數Kn為0.8，保溫時間為3 h。滲氮結束后，在氨氣氣氛下冷卻至室溫。

采用線切割法在滲氮處理前后的試驗鋼上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,經鑲樣、磨拋，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用M-4XC型倒置光學顯微鏡觀察試驗鋼基體及滲氮層的顯微組織。采用S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的微觀形貌，并采用附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析。采用FM-ARS900型顯微硬度計測滲氮前的表面硬度以及滲氮后滲氮層的顯微硬度，載荷為0.2 N，保載時間為15 s，每個試樣至少測3次求平均值，采用硬度梯度法測量滲氮層的厚度[7]。采用HT-1000型摩擦磨損試驗機進行常溫摩擦磨損試驗，測試載荷為10 N，轉速為100 r·min-1，試驗時間為30 min，旋轉直徑為5 mm，對磨件為Si3N4球，試驗在無潤滑狀態下進行。采用掃描電鏡觀察3種試驗鋼的摩擦磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織均主要由針狀馬氏體相組成；未添加釩(釩質量分數為0)時，馬氏體晶粒粗大，試驗鋼基體組織疏松，根據NADCA#207-2016，試驗鋼基體的顯微組織評級為HS1級；添加釩元素后，試驗鋼基體晶粒細化，釩含量(質量分數,下同)為0.55%試驗鋼的顯微組織評級達到了HS4級，釩含量為0.9%試驗鋼的顯微組織評級為HS3級。這是由于在回火過程中，晶界處形成了V(C,N)析出相，該析出相具有細化晶粒、彌散強化的作用[11]。而當釩含量為0.55%時，試驗鋼基體晶粒分布最為均勻，晶粒最為細小，這說明適當添加釩元素可以細化4Cr5Mo2V鋼的晶粒[12]。

圖1 不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織

由圖2可知：3種試驗鋼滲氮層均主要由白亮層和擴散層組成，白亮層與擴散層結合緊密；未添加釩元素時，試驗鋼的白亮層分布不連續，厚度約為2 μm，擴散層厚度約為99 μm；釩含量為0.55%試驗鋼的白亮層分布仍較不連續，厚度在3～4 μm，擴散層厚度增至155 μm；釩含量為0.9%試驗鋼白亮層分布均勻連續，厚度在2～3 μm，擴散層厚度降低至120 μm。擴散層由α相(氮在α-Fe中的間隙固溶體)組成，白亮層主要物相為γ′-Fe4N、ε-Fe2-3N等化合物[13]。白亮層中ε-Fe2-3N相的耐腐蝕性很好[14]，因此，用硝酸酒精腐蝕后，表面呈光亮的白色，擴散層則被浸蝕而呈黑色[15]。釩元素能夠提高氮原子在α相中的固溶度，從而增大擴散層的厚度[16]，因此添加釩元素后，滲氮層中擴散層的厚度明顯得到提高；而當釩含量達到0.9%時，試驗鋼表面釩含量較高，滲氮初期試驗鋼表面迅速形成了一層連續致密的白亮層壁壘[14]，阻礙了碳、氮元素向基體內擴散，因此釩含量為0.9%的試驗鋼擴散層厚度有所降低[17]。白亮層中的化合物在提高試驗鋼硬度的同時會降低其韌性，而擴散層的存在能夠提高滲氮鋼的硬度和疲勞性能，因此對于鋼的氮化，在工業生產中更希望獲得較薄的化合物層和較厚的擴散層[18]。

圖2 不同釩含量試驗鋼滲氮層的顯微組織

由圖3可以看出，3種試驗鋼擴散層的顯微組織均主要由馬氏體組成，且均存在少量白色針狀析出相，添加釩元素后擴散層中開始出現白色顆粒狀析出相。當釩含量為0.55%時，試驗鋼擴散層中晶界清晰，晶界處及晶粒內均存在白色顆粒狀析出相，且晶界處析出較多，這些細小彌散的顆粒狀析出相周圍應力場弱，因此容易形成析出相/基體界面，從而有效促進氮原子的擴散[15]；當釩含量為0.9%時，擴散層中析出相的數量減少，尺寸增大。對釩含量為0.55%試驗鋼中的白色顆粒狀析出相進行EDS分析，結果如表1所示。由表1可知，這些顆粒相中富含碳、氮、鉻和釩元素(鐵為基體組織中的成分)，推測該析出相為Cr7C3、VC和VN[19]。在進行離子滲氮時，氮原子和碳原子優先沿晶界、亞晶界和α相間擴散，因此析出相主要分布在晶界和亞晶界處[20]。

圖3 不同釩含量試驗鋼擴散層的SEM形貌

表1 含0.55%釩試驗鋼中白色顆粒相的EDS分析結果

2.2 顯微硬度

由表2可以看出：滲氮后試驗鋼的表面硬度明顯得到提高，并且當釩含量為0.55%時試驗鋼表面硬度最高，為1 287.3 HV，而當釩含量進一步提高至0.9%時，試驗鋼表面硬度有所下降，為1 141.4 HV。這是由于合金元素在擴散層中形成的析出相對組織起到了彌散硬化作用，而形成的析出相顆粒越小、分布越彌散，硬化作用越大[21-22]。當釩含量為0.55%時，試驗鋼擴散層內大量彌散分布的析出相使其獲得了最高的表面硬度。而釩含量為0.9%時，擴散層組織中的析出相發生粗化，彌散硬化作用減小，且表面覆蓋的一層致密連續的白亮層提高了試驗鋼表面的脆性，使其表面硬度降低。

表2 滲氮前后不同釩含量試驗鋼的表面顯微硬度

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出：試驗開始后，3種試驗鋼進入磨合期，該階段摩擦因數增長速率較快，波動幅度較大；隨后試驗鋼進入穩定期，釩含量為0，0.55%，0.9%的試驗鋼摩擦因數分別穩定在0.48，0.15，0.4。由于在摩擦磨損過程中，接觸點之間溫度較高，會使得磨屑被氧化，隨后再被壓實在試樣表面，繼而形成一層氧化膜，而氧化膜比較軟，當氧化膜被破壞后，摩擦因數將上升，即隨著不斷剝離、壓實的過程，摩擦因數逐漸上升至最后趨于平穩[23]。試驗鋼表層的高硬度對氧化膜有一定的支撐作用，即更高的硬度可以避免氧化膜的快速剝落[24]，因此，當釩含量為0.55%時，試驗鋼的摩擦因數最低，摩擦磨損過程較為穩定。而隨著釩含量的增加，試樣的表面硬度有所降低，其摩擦因數也出現了一定程度的提高。

圖4 滲氮后不同釩含量試驗鋼的摩擦因數曲線

由圖5可以看出：磨損試驗后，未添加釩試驗鋼表面粗糙，發生明顯塑性變形，表面磨損嚴重，磨痕較寬，存在大量磨屑堆積，這表明未添加釩時，試驗鋼的磨損機制主要為黏著磨損；釩含量為0.55%時，試驗鋼表面光滑，磨痕較窄，無明顯裂紋，雖然也觀察到平行磨損槽，但磨痕周圍僅存在少量的磨粒，這表明試驗鋼的磨損機制主要是磨粒磨損；釩含量為0.9%時，試驗鋼表面存在許多較寬的磨痕，磨痕中出現了較多磨屑堆積，因此試驗鋼的磨損機制以黏著磨損為主，并伴有一定的磨粒磨損。與未添加釩時相比，添加釩后，試驗鋼表面硬度更高，抵抗塑性變形能力更強，耐磨性更好[25]。而釩含量為0.55%時試驗鋼的硬度比釩含量為0.9%時硬度更大，因此磨損表面更平整，耐磨性更好。

圖5 滲氮后不同釩含量試驗鋼的表面磨損形貌

3 結 論

(1) 不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織均由馬氏體相組成，添加釩后，基體組織得到細化，當釩含量為0.55%時，基體晶粒分布最均勻，晶粒最細小；不同釩含量試驗鋼滲氮層均主要由白亮層和擴散層組成，隨著釩含量提高，白亮層分布越發均勻，擴散層厚度先增大后減小；添加釩后，擴散層中出現彌散分布的富含碳、氮、鉻、釩元素的細小顆粒狀析出相，隨著釩含量提高，析出相數量減少，尺寸增大。

(2) 滲氮后試驗鋼的表面硬度提高；隨著釩含量提高，試驗鋼的表面硬度先提高后降低，摩擦因數先減小后增大，磨損機制由未添加釩時的黏著磨損轉變為釩含量為0.55%時的磨粒磨損，而后又轉變為釩含量為0.9%時的以黏著磨損為主，伴有少量磨粒磨損。