5Cr2NiMoVSi模具钢的相变规律与力学性能

2022-04-09庞庆海郎庆斌何春静王九花元亚莎

金属热处理 2022年3期

庞庆海，郎庆斌，何春静，王九花，元亚莎

(1.洛阳中重铸锻有限责任公司，河南洛阳 471000；2.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471000)

5Cr2NiMoVSi钢是一种广泛应用的新型高热稳定性模具钢，该材料在5CrNiMo钢的基础上添加Cr、V、Si等元素，使得淬透性和耐高温强度均优于5CrNiMo钢，其耐高温强度提高64%，热稳定性温度提高150～170 ℃。对于500 mm×500 mm截面的模块，热处理后其心部硬度较5CrNiMo钢高出13 HRC，使用寿命可提高1倍左右[1]。5Cr2NiMoVSi钢热稳定性优于5CrNiMo钢，接近4Cr5MoSiV(H11)钢，且热疲劳性能和冲击韧度较好，适合用于与锻件接触时间较长、模具工作面温升较高的压力机锻模、锤锻模等大截面热锻模具[2-3]。

对热作模具钢而言，其硬度、韧性和热稳定性是最主要的性能指标，这些性能指标决定了热作模具钢的使用寿命[4]。而改善热作模具钢的强韧化途径之一就是通过控制热处理工艺来调控组织和结构，使其满足热作模具钢的性能需求[5-6]。目前，对5Cr2NiMoVSi钢的研究主要集中在热处理工艺优化、复合强化等方面[7-8]，在相变特性及热态稳定性研究方面较为欠缺。为详细掌握5Cr2NiMoVSi钢在冷却过程中获得的组织与性能，合理设计材料热处理工艺，有必要研究材料冷却过程的相转变规律，评定材料力学性能，掌握5Cr2NiMoVSi钢热加工特性，以期为大型模具的生产提供技术依据。

1 试验材料及方法

采用真空中频感应熔炼炉制备5Cr2NiMoVSi钢，试验材料经锻造变形和球化退火处理获得平衡态组织，并开展测试试验。材料化学成分见表1。

表1 5Cr2NiMoVSi钢的化学成分(质量分数，%)

相变规律测试试验在真空状态下的Formastor-FⅡ相变测试仪上进行，试样规格为φ3 mm×10 mm，按YB/T 5127—1993标准《钢的临界点测定方法(膨胀法)》测试材料的临界点。试样升温速度为200 ℃/h，奥氏体化温度1000 ℃，保温时间20 min，冷却速度分别为0.03、0.06、0.08、0.15、0.25、0.3、0.4、1和5 ℃/s。测试结束后，采用切线法测试相变临界点，并绘制奥氏体连续冷却转变曲线。

开展热处理工艺试验，试样加热温度为980 ℃，保温40 min并油冷，回火温度为550、570、590、610和630 ℃，保温时间为4 h，每个试样均回火处理两次。热处理完成后检测试样的力学性能，观察显微组织。试样侵蚀剂为4%的硝酸酒精溶液，采用Observer D1M光学显微镜观察其组织，采用华银310HVS-5维氏硬度计、HB-3000B型布式硬度计检测试样硬度。

2 试验结果及分析

2.1 连续冷却转变(CCT)曲线

通过材料的温度-膨胀量曲线，得出不同冷却速度下的各相变起始温度和终止温度，结合金相-显微硬度，绘制材料的连续冷却转变曲线(CCT曲线)，如图1所示。5Cr2NiMoVSi钢的连续冷却转变曲线为双C曲线，奥氏体转变开始温度为746 ℃，终止温度为840 ℃，马氏体转变开始温度为262 ℃。材料以不同速度连续冷却过程中，过冷奥氏体分别发生铁素体和珠光体、贝氏体、马氏体等相变过程。当冷却速度低于0.06 ℃/s时，试样首先出现少量高温相组织，当温度降至440～280 ℃时，过冷奥氏体转变为贝氏体。冷速在0.08～0.15 ℃/s 区间仅发生贝氏体转变，0.15～0.3 ℃/s冷速区间存在贝氏体和马氏体两种相变过程。冷却速度高于0.4 ℃/s，试样仅发生马氏体转变，即材料的临界冷却速度为0.4 ℃/s。

图1 5Cr2NiMoVSi钢的连续冷却转变曲线

从图1可以看出，5Cr2NiMoVSi钢的连续冷却转变曲线大幅度右移，高温相变区右移幅度最为明显，表明该材料过冷奥氏体具有较好的稳定性，适用于厚截面工件或热锻模具等。结合实际生产，5Cr2NiMoVSi钢大型工件心部材料在较慢的冷却速度下，依然可以得到马氏体、贝氏体复相组织或完全贝氏体组织，获得较好的力学性能。

2.2 显微组织

过冷奥氏体以不同冷却速度冷却后得到不同的组织，最终决定了材料的力学性能。为此，冷却速度是钢制构件在热处理过程中最为重要的参数。对不同冷却速度相变试样的显微组织进行观察和分析，确定组织构成与连续冷却速度的对应关系，典型组织见图2。

图2 5Cr2NiMoVSi钢在不同冷速下的显微组织

可以看出，冷却速度为0.03～0.06 ℃/s时，试样组织由铁素体、珠光体以及粒状贝氏体组成。冷速为0.08～0.3 ℃/s时，试样由贝氏体、马氏体及残留奥氏体组成。黑针为下贝氏体组织，随冷却速度提高，贝氏体含量减少，马氏体含量逐步增多。贝氏体分布不均匀，反映出原材料存在化学成分偏析。冷却速度大于0.4 ℃/s时，试样由板条马氏体和少量针状马氏体复相组织逐步转变为完全的板条马氏体组织。以板条马氏体为主的热处理组织，强韧性较好，具有良好的综合力学性能。

2.3 显微硬度

5Cr2NiMoVSi钢的显微硬度受冷却速度影响较为明显，随冷却速度提高而逐步增大，硬度与冷却速度关系曲线如图3所示。可以看出，冷却速度为0.03 ℃/s和0.06 ℃/s时，试样显微硬度较低，约为400～421 HV。冷却速度为0.08～0.3 ℃/s时，试样由贝氏体组织及马氏体组织构成，随着冷却速度提高，马氏体含量逐步增多，硬度区间为473～577 HV。贝氏体属于半扩散型相变，冷却过程中奥氏体中的碳来不及扩散，使得固溶在奥氏体中的碳含量增加，导致转变后贝氏体的硬度提高[9]。冷却速度大于0.4 ℃/s时，材料为典型的马氏体组织，硬度基本保持在640 HV以上，冷却速度为5 ℃/s时，试样硬度可达742 HV。

图3 5Cr2NiMoVSi钢硬度与冷却速度的关系曲线

对于5Cr2NiMoVSi钢，随着冷却速度提高，相变类型由扩散型逐步转变为切变型，切变型相变强化作用逐渐增强，导致强度逐渐升高。同时，由于5Cr2NiMoVSi钢中Cr、Ni、Mo、Si、V等元素的固溶强化作用，使得马氏体组织具有较高的硬度。

2.4 力学性能

力学性能与回火温度的关系如表2所示。可以看出，5Cr2NiMoVSi钢经980 ℃油冷淬火及回火处理，强度随回火温度升高而逐渐降低，韧性逐步提高。其中，试样在590 ℃回火处理时，抗拉强度为1628 MPa，屈服强度为1514 MPa，此时U型缺口试样冲击吸收能量为20.6 J，V型缺口试样冲击吸收能量为10.2 J，表现出较好的综合力学性能。

表2 5Cr2NiMoVSi钢的力学性能

5Cr2NiMoVSi钢的回火稳定性曲线如图4所示。当回火温度为550～590 ℃时，试样硬度高于45 HRC且降低幅度较小，回火稳定性较优。由此可见，钢中合金元素对回火稳定性有较大影响，较高的Mo含量可以强化基体组织，提高热强性能，抑制贝氏体的回复和再结晶，V元素在回火过程中起到了明显的析出强化作用[10]，两种元素均有利于提高材料的回火稳定性。当材料回火温度高于610 ℃时，硬度大幅度降低，回火稳定性变差。因此，为保证5Cr2NiMoVSi钢具备较高的强度，建议回火处理及使用温度均不高于590 ℃。