釩含量對4Cr5Mo2V鋼顯微組織與力學性能的影響

黃 山，吳日銘，陳 蒙，胡 濤，董錦樺

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

0 引 言

Cr-Mo-V系熱作模具鋼因使用壽命較長而得到了廣泛應用。DIEVAR鋼是在H13鋼基礎上通過降釩升鉬而得到的Cr-Mo-V系模具鋼，具有較好的強韌性、較高的熱導率和耐熱疲勞性能[1-4]，但是經長時間使用后也會產生由熱疲勞引起的龜裂和塑性變形等問題[4-6]。研究表明，調整合金元素成分是改善模具鋼組織與性能的主要方式[7-9]。釩元素是強碳氮化物形成元素。在Cr-Mo-V系鋼中增加釩元素，在回火過程中固溶的釩以V(C,N)化合物形式析出，可以起到明顯的析出強化作用[8,10]；并且VC碳化物細小彌散，穩定性高，可以顯著提高二次硬化作用。因而少量的釩就能顯著增強模具鋼的高溫強韌性和回火穩定性[8,10-13]。然而，過量釩的添加會引起基體中釩的不均勻分布，導致回火時形成VC共晶碳化物，使得鋼的沖擊韌性變差[9,14]。目前，不同釩含量對Cr-Mo-V系模具鋼組織和性能的影響還缺乏系統的研究。

國產模具鋼中4Cr5Mo2V鋼的化學成分接近于DIEVAR鋼種。因此，作者以4Cr5Mo2V鋼的化學成分為基礎，設計了釩質量分數分別為0.15%，0.55%，1.25%的試驗鋼，并進行了真空淬火和不同溫度回火處理，研究了釩含量對試驗鋼顯微組織、硬度和沖擊韌性的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

按照4Cr5Mo2V鋼的名義化學成分，并且將釩質量分數分別調整為0.15%，0.55%，1.25%進行配料。采用真空感應熔煉爐將石墨和純鐵加熱至1 400～1 500 ℃完全熔化，熔煉成基質鐵液；向基質鐵液中加入硅鐵、錳鐵、鉻、鉬和釩等金屬，加熱至1 600～1 750 ℃完全熔化，熔煉成鋼液；將鋼液注入預熱的鋼錠模具中，保溫3～4 h后脫模。去除鋼錠表層氧化皮及缺陷，將余料鋼錠置于天然氣加熱爐中，加熱至1 240 ℃保溫2 h進行均質化處理，再降溫至1 180 ℃鍛打拔長至尺寸為30 mm×55 mm×500 mm(厚度×寬度×長度)的鋼條，鍛后進行740 ℃等溫球化退火處理。試驗鋼實測化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的實測化學成分Table 1 Measured chemical composition of test steels %

在鋼條上切取尺寸為30 mm×50 mm×55 mm的試樣，按照圖1所示工藝依次進行真空淬火處理和回火處理，真空淬火溫度為1 040 ℃，回火溫度分別為540，620 ℃。

圖1 試驗鋼熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process of test steel: (a) vacuum quenching and (b) tempering

1.2 試驗方法

在熱處理后的試樣上切取尺寸為10 mm×10 mm×6 mm的金相試樣，經砂紙粗磨、拋光，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕10～15 s后，采用4XCJX型倒置三目光學顯微鏡觀察顯微組織。采用OXFORD VEGA3型掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌，用電鏡附帶的能譜儀(EDS)分析組織中析出物的化學成分。

采用HR-150A型洛氏硬度計進行硬度測試，每個試樣取6點，去掉最大值和最小值后取平均值。根據北美壓鑄協會標準NADCA#207-2016，在熱處理后的試樣上截取尺寸為7 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，采用PIT452D型金屬擺錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，各測3個試樣的沖擊吸收功并取平均值。使用OXFORD VEGA3型掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：經淬火和540 ℃回火后，含質量分數0.15%釩的試驗鋼組織中產生大量粗大的回火索氏體，其中的白色粗大組織為鐵素體，其組織粗化現象較明顯；當釩含量(質量分數，下同)增至0.55%時，試驗鋼的晶粒尺寸相比于釩含量為0.15%時細小；當釩含量增至1.25%時，試驗鋼的組織更加均勻，晶界分明，晶粒最細。620 ℃下回火后不同釩含量試驗鋼的組織均比較均勻，晶粒細小，并且隨著釩含量的增加，晶粒尺寸減小。經兩種溫度回火處理后，試驗鋼的晶粒均隨釩含量增加而發生細化，這與已有研究[11-12]得到的合金元素釩在模具鋼中具有細化晶粒作用的結論一致。

圖2 不同溫度回火后不同釩含量試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of test steels containing different vanadium content after tempering at different temperatures

2.2 SEM形貌和微區成分

由圖3可以看出，經淬火和不同溫度回火后，不同釩含量試驗鋼中析出的碳化物大多位于晶界，其中釩含量為1.25%時碳化物的晶界析出現象最為明顯。在540 ℃下回火后，釩含量0.15%試驗鋼中析出的碳化物最少，呈細桿狀，尺寸為10～100 nm；當釩含量增至0.55%時，碳化物數量增多，呈細桿狀和部分短棒狀，尺寸為10～100 nm；當釩含量增至1.25%時，析出碳化物多為橢球形，尺寸增至50～200 nm。在620 ℃下回火后，釩含量0.15%試驗鋼中的析出碳化物最少，呈細桿狀，尺寸為10～100 nm；當釩含量增至0.55%時，碳化物數量增多，呈細桿狀和部分橢球狀，尺寸在10～200 nm；當釩含量增至1.25%時，析出碳化物多為橢球形，尺寸增至50～200 nm。綜上：不同溫度回火后，隨著釩含量增加，析出碳化物數量增加，并且尺寸增大；此外，由于提高回火溫度后，合金元素擴散加劇，因此620 ℃下回火后的析出碳化物明顯比540 ℃下回火時多，并且在釩含量為0.55%時就出現了橢球形碳化物。

由圖4可以看出，試驗鋼中的橢球形碳化物含釩量較多，含鉬量較少。根據文獻[8-10]的研究結果，即回火后固溶的釩以V(C,N)的形式析出，推斷橢圓型碳化物大多為VC型。根據表1可知，3種試驗鋼中的鉬元素含量基本不變，如果回火析出的是大量Mo2C碳化物，則圖3中所展示的析出碳化物不應該分布不均勻。據此進一步確定橢球形碳化物為VC型碳化物。

圖4 620 ℃回火后釩含量1.25%試驗鋼中橢球形碳化物的EDS譜Fig.4 EDS spectrum of elliptical carbides in test steel containing 1.25% vanadium after tempering at 620 ℃

2.3 硬度與沖擊吸收功

由圖5(a)可知：540 ℃回火后不同釩含量試驗鋼的硬度均不低于52 HRC，并且均高于620 ℃回火；兩種回火溫度下，硬度均隨著釩含量增加而提高。結合圖3分析可知：隨著釩含量增加，回火后試驗鋼中析出的碳化物增多，釘扎在晶界處阻礙位錯運動的碳化物隨之增多，析出強化作用增強[8,10,15]，因此硬度增大；但隨回火溫度升高，試驗鋼中析出VC型碳化物數量增多，導致基體發生軟化，減弱了析出強化作用[15]，因此620 ℃回火后試驗鋼的硬度低于540 ℃回火后。

圖5 不同溫度回火后不同釩含量試驗鋼的硬度和沖擊吸收功Fig.5 Hardness (a) and impact absorbing energy (b) of test steels containing different vanadium content after tempering at different temperatures

由圖5(b)可知：在540 ℃下回火后，釩含量為1.25%試驗鋼的沖擊吸收功僅為26 J，遠低于釩含量為0.15%和0.55%時，釩含量為0.55%時的沖擊吸收功最高，達265 J；在620 ℃下回火后，不同釩含量試驗鋼的沖擊吸收功均高于200 J，并且釩含量為0.15%和1.25%試驗鋼的沖擊吸收功均遠高于540 ℃下回火后。540 ℃下回火后，釩含量為1.25%試驗鋼的組織分布不均勻，橢球形VC碳化物在晶界處聚集，碳化物之間相互作用，使得組織內部產生較大的內應力，導致了沖擊性能的惡化[9,14]。高于脆性斷裂溫度時沖擊能量的增加與基體軟化和碳化物顆粒粗化有關[16]。620 ℃回火后，釩含量為1.25%試驗鋼中的橢球形VC碳化物進一步增多，且碳化物均勻分布在基體和晶界處，試驗鋼基體軟化程度增加，使得析出強化作用減弱，進而改善了沖擊韌性。

2.4 沖擊斷口形貌

由圖6可以看出：540 ℃回火后，釩含量為0.15%，0.55%試驗鋼的沖擊斷口局部區域存在許多尺寸不足10 μm的小韌窩，說明這兩種鋼的斷裂方式為韌性斷裂[3,9]，并且釩含量為0.55%試驗鋼斷口上的韌窩相對于釩含量為0.15%時更深一些，故而沖擊韌性更好[3]；當釩含量增至1.25%時沖擊斷口上存在許多解理小平面和一些河流花樣，說明其斷裂方式為脆性斷裂[3,17-18]。620 ℃下回火后，3種釩含量試驗鋼的沖擊斷口上均出現大量韌窩，說明均發生了韌性斷裂。

圖6 不同溫度回火后不同釩含量試驗鋼的沖擊斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of impact fracture of test steels containing different vanadium content after tempering at different temperatures

3 結 論

(1) 兩種溫度回火處理后，隨著釩含量增加，試驗鋼組織中的晶粒不斷細化，析出的VC型碳化物數量增加，尺寸增大；620 ℃回火后的組織都比較均勻，相比于540 ℃下回火后析出碳化物數量明顯增多。

(2) 隨著釩含量增加，回火后析出的VC型碳化物增多，析出強化作用增強，各試驗鋼硬度隨之提高；但回火溫度升高后，析出相增多使得試驗鋼基體出現軟化現象，導致硬度降低。

(3) 540 ℃回火后，釩含量為0.15%，0.55%試驗鋼發生韌性斷裂，并且釩含量為0.55%時的沖擊韌性更好，沖擊吸收功達到265 J；當釩含量增至1.25%時試驗鋼發生脆性斷裂，沖擊吸收功急劇下降，僅為26 J。620 ℃下回火后，3種釩含量試驗鋼均發生韌性斷裂，沖擊吸收功均在200 J以上。