噴射成形高合金Vanadis4冷作模具鋼的組織與性能研究.pdf

1、本文工作結(jié)合寶鋼集團重大科研項目“噴射成形先進冶金加工技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)”而完成。模具鋼大多數(shù)采用常規(guī)鑄造方法，再經(jīng)大變形量鍛造及復(fù)雜的熱處理來改善鋼中碳化物尺寸和分布，以獲得良好的力學(xué)性能。但常規(guī)方法難以制備高品質(zhì)高合金模具鋼，而只能采用工藝復(fù)雜、成本高的粉末冶金方法生產(chǎn)。選取瑞典UDDEHOLM公司生產(chǎn)的粉末冶金Vanadis4(V4)鋼作為對比材料，采用噴射成形這一先進的冶金加工技術(shù)制備了V4鋼，有效細化了晶粒，減小了偏析，極大地改善

2、了鋼中碳化物形貌和分布。在此基礎(chǔ)上分析了噴射成形V4鋼微觀組織及形成特點，揭示了該鋼的細化機理及區(qū)別于其它噴射成形鋼材的特點；系統(tǒng)的研究了噴射成形V4鋼熱加工過程微觀組織演變行為，給出了制備V4鋼最優(yōu)化的控制參數(shù)；對比研究了噴射成形V4鋼與粉末冶金V4鋼的淬回火后的力學(xué)性能，分析了噴射成形V4鋼回火過程二次碳化物的析出行為。自主創(chuàng)新的工藝路線相對粉末冶金工藝而言工藝簡單成本更低，有力地證明了噴射成形取代粉末冶金制備高合金V4鋼的可行性。

3、 噴射成形工藝得到的高合金V4鋼為等軸晶，晶粒大小在8-10μm左右分布均勻，無宏觀偏析及粗大網(wǎng)狀碳化物，且組織中未見類似常規(guī)鑄態(tài)材料中的共晶組織。其組成相包括馬氏體、殘余奧氏體、MC及M7C3型碳化物，其中，殘余奧氏體含量高達33％，VC顆粒大部分尺寸在0.5-2μm均勻分布在晶界，而大部分M7C3顆粒尺寸在180nm左右均勻分布在晶內(nèi)。噴射成形所具有的快速凝固特征是V4鋼組織細化的最關(guān)鍵因素；此外，噴射成形霧化過程先凝固粒子

4、的異質(zhì)形核作用，以及凝固過程中在較高溫度析出的VC限制了γ枝晶生長的時間和空間，從而促進γ枝晶細化也是其能獲得細小晶粒的重要原因。 V4鋼加熱過程的相轉(zhuǎn)變點為845℃(A1)和890℃(A3)，加熱過程中由于基體組織分解及大量碳化物析出而導(dǎo)致熱膨脹曲線出現(xiàn)明顯的彎曲。等溫壓縮熱模擬實驗結(jié)果表明，V4鋼在850-1150℃溫度范圍內(nèi)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均為典型的再結(jié)晶曲線，當(dāng)變形溫度一定，變形速率越高，流變應(yīng)力越大；當(dāng)變形速率一定

5、，變形溫度越高，流變應(yīng)力越小。熱軋實驗研究結(jié)果表明，V4鋼在850-950℃溫度軋制后基體中析出了大量M7C3及M3C碳化物，而一次碳化物則會發(fā)生不均勻長大，因此軋后組織很不均勻；1050℃軋后組織中的碳化物最為均勻細?。寒?dāng)軋制溫度升高至1100℃以上時，回溶至基體的合金元素在軋后冷卻過程中將沿晶界不均勻析出。因此，熱變形溫度是決定變形后組織中碳化物形貌、尺寸和分布的最關(guān)鍵熱力學(xué)條件。退火實驗結(jié)果表明，退火溫度顯著影響軋后組織中碳化物球

6、化過程。850℃退火時元素擴散速率較低，部分條狀碳化物還未熔斷球化；900℃是最理想的退火溫度；溫度升高至950℃，元素擴散大大能力增加，碳化物將發(fā)生較為明顯的粗化。通過本文新工藝得到的V4鋼組織相對粉末冶金V4鋼而言碳化物更加均勻細小，且所采用的軋制或鍛造工藝相對簡單，工業(yè)上也易于實現(xiàn)，這是噴射成形高合金模具鋼的獨特優(yōu)點。本研究成果能填補國內(nèi)采用噴射成形取代粉末冶金制備高合金模具鋼的空白。 經(jīng)過相同工藝淬回火后的噴射成形V4鋼

7、硬度值高于粉末冶金V4鋼，兩者沖擊功相當(dāng)。V4鋼回火過程存在明顯的二次硬化，在500℃回火后，極其細小且彌散析出的納米級VC是材料達到二次硬化峰的主要原因，VC熱穩(wěn)定性好，經(jīng)過長時間時效也很難長大；當(dāng)回火溫度進一步升高至550℃后，析出的碳化物為尺寸相對較大的MaC，大量C的析出使基體強度降低，且M3C的彌散強化效果低于MC，因此V4鋼硬度值有較為明顯下降；而700℃過時效處理5min后基體便迅速分解，位錯密度顯著降低，首先發(fā)現(xiàn)析出的碳

8、化物為M7C3且多沿馬氏體板條邊界析出，隨回火時間延長析出的碳化物還包括M23C6、M6C、MC?；w在回復(fù)過程中，胞壁的位錯重新排列和對消逐漸變鋒銳，胞壁完全鋒銳了的胞塊轉(zhuǎn)化為亞晶，亞晶逐漸合并，形成多邊形鐵素體?；w中析出的大量碳化物能有效釘扎亞晶界，阻止亞晶合并和再結(jié)晶的進行。 噴射成形V4鋼與粉末冶金V4鋼的耐磨性對比研究結(jié)果表明，兩種鋼的磨損過程均包括跑合與穩(wěn)定磨損兩個階段，在二次硬化峰值處兩種材料具有最好的耐磨性。磨

9、損表面的掃描電鏡形貌觀察表明兩種鋼的主要磨損機制為磨粒磨損，但粉末冶金V4鋼磨損表面還存在粘著磨損形貌，而該特征在噴射成形V4鋼磨損表面并未發(fā)現(xiàn)，這是兩種鋼磨損過程中的摩擦系數(shù)和表面粗糙度差別產(chǎn)生的主要原因。相同實驗條件下噴射成形V4鋼摩擦系數(shù)小于粉末冶金V4鋼摩擦系數(shù)；基于激光掃描共焦顯微鏡的兩材料磨損表面三維粗糙度表征結(jié)果表明噴射成形V4鋼的表面粗糙度低于粉末冶金V4鋼表面粗糙度。粘著磨損的產(chǎn)生與兩種材料中碳化物總量、分布、碳化物間