Cr-Mo-Ni系新型铸造热锻模具钢的微合金化

Cr-Mo-Ni 系新型铸造热锻模具钢的微合金化姜启川方建儒赵宇光王树奇关庆丰赵玉谦马云海瞿芝碧摘要向成分(%)：C 0.10.5，Cr 1.05.0，Mo 0.32.0，Ni 1.02.0 新型铸造热锻模具钢中加入微合金化元素Nb、V、Ti、RE、Ca 等，细化了晶粒、改善了夹杂物形态及分布。冲击韧性、延伸率、断面收缩率提高了一倍左右，断裂韧性和抗冷热疲劳性能也有明显改善。关键词铸造热锻模具钢微合金化Micro|Alloying of A New Cr|Mo|Ni Steel Seriesfor Cast Hot|Forging DieJiang Qichuan, Fang Jianru, Zhao Yuguang, Wang Shuqi,Guan Qingfeng, Zhao Yuqian, Ma Yunhai and Qu Zhibi(Material Science and Engineering Institute, Jilin University of Technology, Changchun 130025) AbstractWith grain refining, and morphology and distribution of inclusions improving by adding micro|alloying element | Nb, V, Ti, RE and Ca, the impact toughness, elongation and reduction of area of new C 0.10.5|Cr 1.05.0|Mo 0.32.0|Ni 1.02.0 steel for cast hot|forging die increased by over 1 time, and the fracture toughness and thermal fatigue resistance of steel improved obviously.Material IndexCast, Hot|Forging, Die Steel, Micro|Alloying采用铸造方法来制造热锻模具省去了锻造工序，而且型腔铸出，可做到少、无加工，废弃模具可以通过重熔而得到再生回用，具有成本低，节省资源、能源，生产周期短等优点。前苏联科研工作者研究出4Cr5MoVSiNi、25Cr5MoVSiNi、5CrNiMoNV、30Cr6MoNV 等铸造热锻模具钢 1 ，收到很好效果，不仅在使用过程中安全可靠，而且使用寿命也有相当程度提高。我国从 50 年代就开始用铸造方法制作热锻模具，主要是采用原锻造热锻模具钢的成分来直接铸造热锻模具，其韧性低，往往在使用过程中因脆性断裂而报废 2 。向钢中加入微量的合金化元素进行微合金化处理，是提高铸钢强韧性的发展方向之一。本研究在C、Cr、Ni、Mo 等基本成分优化设计的基础上，通过添加微量的合金化元素 V、Ti、Nb、RE、Ca 来获得晶粒细化、偏析减轻、夹杂物少、形态改善、组织致密的凝固组织来提高铸造热锻模具钢的性能。1实验方法1.1新型铸造热锻模具钢的基本化学成分新型铸造模具钢的化学成分(%)：C 0.10.5，Cr 1.05.0，Mo 0.32.0，Ni 1.02.0，Si、Mn0.4。并在此基础上添加微量的合金化元素 V、Ti、Nb、RE、Ca。1.2试样的制备采用 5 kg 中频感应电炉不氧化法炼钢工艺，1 600 插 Al 脱氧后出钢，包中加入微合金化元素。在砂型中浇铸成 12 mm12 mm55 mm试样，加工成 10 mm10 mm55 mm(U 型缺口)冲击试样、10 mm10 mm20 mm 硬度试样及 6 mm10 mm25 mm 的冷热疲劳试样。1.3冷热疲劳实验在自制的冷热疲劳试验机上进行冷热疲劳试验，即采用电阻加热，在试样的一侧用 0.12 mm 的钼丝预制一个 5 mm 深的裂纹，用热电偶测温，自动控温与计数。试样被加热到 600 后，保温 10 s，然后迅速在室温水中冷却 23 s，不断的循环加热与冷却，测定裂纹的扩展情况。1.4性能测试与组织观察采用 HR150 型硬度计进行硬度测试，在 JB-5 型冲击试验机上进行冲击实验，拉伸试样在电子万能拉伸试验机上进行。在 INSTRON1603 电磁共振式高频疲劳试验机上测试断裂韧性(满足 GB6398-86)。采用 XJG-0.5 型光学显微镜进行显微组织观察，在扫描电镜(AMRA-1000B)上观察冲击断口形貌。2实验结果与讨论向钢中加入微量的 Nb、V、Ti、RE、Ca 等合金元素，既起到孕育、变质的作用，又起到净化的作用。经过细化晶粒和沉淀强化元素Nb、V、Ti 和净化元素 RE、Ca 的复合微合金化处理后，其强度及硬度略有提高(图 1)，冲击韧性、延伸率、断面收缩率提高了一倍左右，断裂韧性有较大的提高(图 2)，抗冷热疲劳性能也有所改善(图 3)。图 1微合金化对铸造热锻模具钢的硬度和强度的影响Fig.1Effect of micro|alloying on hardness and strength of steel for cast hot|forging die图 2微合金化对铸造热锻模具钢的冲击韧性、断裂韧性、延伸率和断面收缩率的影响Fig.2Effect of micro|alloying on impact toughness, fracture toughness,elongation and reduction of area of steel for cast hot|forging dieNb、V、Ti 与 C、N 等有较强的亲和力，在钢中形成碳、氮化物，由于这些碳、氮化物溶解温度很高，如 Nb(N、C)溶解温度 1 150 ，TiC、TiN 的溶解温度大约在 1 100 ，在奥氏体化时，这些微合金化碳、氮化物部分不溶解，阻碍奥氏体晶粒的长大，相变时作为晶核，促使晶粒细化。RE、Ca 等主要用来减少夹杂物或改善夹杂物的形态及分布。由图 4冲击断口的 SEM 可以看出，未经微合金化处理的试样，夹杂物多为长条形并带有棱角，而且夹杂物数量较多；经 RE、Ca 联合变质处理后，夹杂物数量明显减少，夹杂物趋于球化并均匀的分布在钢中。由于稀土元素、钙元素改变了钢中夹杂物的组成、形态及分布，生成小球状的RE2O2S、RE 2S2等稀土夹杂物 3 ，显著地降低了该钢沿晶界产生的脆性断裂倾向。何世禹等人通过扫描电镜分析得出，绝大多数的冷热疲劳裂纹优先在晶界处萌生，沿着晶界处夹杂物或碳化物与基体的界面处开始扩展，尺寸越大的粒子裂纹越易扩展；随着热循环次数的增加，裂纹不断扩展，其途径由沿晶变为穿晶。由于微合金化元素的孕育、变质作用，改善了夹杂物的形态与分布，加之晶粒细小，裂纹扩展变慢，因而提高了冷热疲劳抗力，如图 3 所示。图 3微合金化对铸造热锻模具钢的冷热疲劳裂纹扩展的影响Fig.3Effect of micro|alloying on propagation of thermal fatigue crack of steel for cast hot|forging die微合金化处理的强韧化效果与微合金化元素的含量、溶解量、凝固过程和热处理工艺有关。一般地，强碳化物形成元素应控制在一个适量的范围，过高有损于钢的塑性、韧性，过低则强化效果不明显。从图 5可以看出，随着 V 含量的增加，新型铸造模具钢的硬度增加，而冲击韧性先升高后下降。这是因为增 V 有利于细化晶粒、促进 V4C3的弥散强化作用，并把更多的 Mo、Cr 挤到基体中，加强固溶强化；但是过量的 V会导致 V 进入基体，而进入基体的 V 会降低原子结合力，从而降低新型铸造模具钢的冲击韧性。Nb 含量对硬度影响不明显，冲击韧性随着 Nb含量从 0.04%升高到 0.08%而递增，这可能与 Nb 的细化晶粒有关；当 Nb含量继续增加时，冲击韧性反而下降，这可能与 Nb 的沉淀析出和在晶界的富集有关。Ti 的加入同时提高新型铸造模具钢的硬度与冲击韧性，这与 Ti 的细化晶粒作用是分不开的。(a) 微合金化处理前冲击断口；(b) 微合金化处理后冲击断口图 4微合金化处理对铸造模具钢中夹杂物的影响Fig.4Effect of micro|alloying on inclusion in steel for cast hot|forging die (a) impact fracture before micro|alloying treating; (b) impact fracture after micro|alloying treating图 5V、Nb、Ti 含量对铸造热锻模具钢硬度和冲击性能的影响Fig.5Effect of V, Nb and Ti content on hardness and impact toughness of steel for cast hot|forging die3生产性实验采用经多元微合金化处理的新型铸造热锻模具钢，用 V 法为长春拖拉机制造厂铸造出 12 马力拖拉机半轴法兰盘(051-1)12*38*201)锤锻模一套。经热处理后，该锤锻模的平均硬度为 HRC41，平均冲击韧性为20 J/cm2。该锤锻模在 3 t 模锻锤上的使用情况如下：(1) 目前该厂用 5CrMnMo 锻造模块加工而成的锻模使用寿命为 2 5003 000 件，而用经多元微合金化处理后的新型铸造锻模的使用寿命为 5 800 件，寿命提高一倍左右。(2) 经多元微合金化处理的铸造锻模与锻造 5CrMnMo 钢加工而成的锻模相比，其抗热疲劳性能好，热疲劳裂纹明显少，没有发生堆塌现象，而且具有良好的脱模性。(3) 新型铸造热锻模具具有加工量小，材料利用率高，不用改锻，节省能源与资源，制造周期短，废弃模具可以回收再用，最终成本低等优点，经济效益显著。4结论(1) 向钢中加入微量的 Nb、V、Ti、RE、Ca 等，能够细化晶粒、改善夹杂物形态及分布。(2) 新型铸造模具钢经过微合金化处理后，其强度及硬度略有提高，冲击韧性、延伸率、断面收缩率提高了一倍左右，断裂韧性和抗冷热疲劳性能也有所改善。(3) 生产应用表明：经微合金化处理后的新型铸造模具钢，成本低，寿命长，经济效益显著，应用前景广阔。作者单位：吉林工业大学材料科学与工程学院，长春 130025参考文献1王光阀译.铸造锻模的制造与应用.铸造，1998,(3)：432天津拖拉机厂.陶瓷型精密铸造模具小结.一机部情报所，19843方建儒.新型铸造热锻模具钢的组织与性能.吉林工业大学研究生毕业论文，1998姜启川，男，49 岁，教授。1982 年毕业于吉林工业大学铸造专业(硕士)，从事金属材料设计研究。