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的應用開發(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)的真應力-真應變曲線均為典型的再結(jié)晶曲線，當變形溫度一定，變形速率越高，流變應力越大；當變形速率一定

5、，變形溫度越高，流變應力越小。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?。寒斳堉茰囟壬咧?100℃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、尺寸和分布的最關鍵熱力學條件。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。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。基體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