Cr-Mo-Ni系新型铸造热锻模具钢的微合金化

CRMONI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C0105，CR1050，MO0320，NI1020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|ALLOYINGOFANEWCR|MO|NISTEELSERIESFORCASTHOT|FORGINGDIEJIANGQICHUAN,FANGJIANRU,ZHAOYUGUANG,WANGSHUQI,GUANQINGFENG,ZHAOYUQIAN,MAYUNHAIANDQUZHIBIMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGINSTITUTE,JILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,CHANGCHUN130025ABSTRACTWITHGRAINREFINING,ANDMORPHOLOGYANDDISTRIBUTIONOFINCLUSIONSIMPROVINGBYADDINGMICRO|ALLOYINGELEMENT|NB,V,TI,REANDCA,THEIMPACTTOUGHNESS,ELONGATIONANDREDUCTIONOFAREAOFNEWC0105|CR1050|MO0320|NI1020STEELFORCASTHOT|FORGINGDIEINCREASEDBYOVER1TIME,ANDTHEFRACTURETOUGHNESSANDTHERMALFATIGUERESISTANCEOFSTEELIMPROVEDOBVIOUSLYMATERIALINDEXCAST,HOT|FORGING,DIESTEEL,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11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C0105，CR1050，MO0320，NI1020，SI、MN04。并在此基础上添加微量的合金化元素V、TI、NB、RE、CA。12试样的制备采用5KG中频感应电炉不氧化法炼钢工艺，1600插AL脱氧后出钢，包中加入微合金化元素。在砂型中浇铸成12MM12MM55MM试样，加工成10MM10MM55MMU型缺口冲击试样、10MM10MM20MM硬度试样及6MM10MM25MM的冷热疲劳试样。13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012MM的钼丝预制一个5MM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10S，然后迅速在室温水中冷却23S，不断的循环加热与冷却，测定裂纹的扩展情况。14性能测试与组织观察采用HR150型硬度计进行硬度测试，在JB5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GB639886。采用XJG05型光学显微镜进行显微组织观察，在扫描电镜AMRA1000B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FIG1EFFECTOFMICRO|ALLOYINGONHARDNESSANDSTRENGTHOFSTEELFORCASTHOT|FORGINGDIE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FIG2EFFECTOFMICRO|ALLOYINGONIMPACTTOUGHNESS,FRACTURETOUGHNESS,ELONGATIONANDREDUCTIONOFAREAOFSTEELFORCASTHOT|FORGINGDIENB、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NBN、C溶解温度1150，TIC、TIN的溶解温度大约在1100，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、RE2S2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FIG3EFFECTOFMICRO|ALLOYINGONPROPAGATIONOFTHERMALFATIGUECRACKOFSTEELFORCASTHOT|FORGINGDIE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004升高到008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FIG4EFFECTOFMICRO|ALLOYINGONINCLUSIONINSTEELFORCASTHOT|FORGINGDIEAIMPACTFRACTUREBEFOREMICRO|ALLOYINGTREATINGBIMPACTFRACTUREAFTERMICRO|ALLOYINGTREATING图5V、NB、TI含量对铸造热锻模具钢硬度和冲击性能的影响FIG5EFFECTOFV,NBANDTICONTENTONHARDNESSANDIMPACTTOUGHNESSOFSTEELFORCASTHOT|FORGINGDIE3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05111238201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20J/CM2。该锤锻模在3T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25003000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5800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