Mn和W元素对4Cr2Mo2W2V模具钢热稳定性的影响.docx

mn 和 w 元素对 4cr2mo2w2v 模具钢热稳定性的影响朱春燕1 ， 石楠楠1 ， 左鹏鹏1 ， 闵娜2 ， 吴晓春1( 1 上海大学材料科学与工程学院，上海200072;2 上海大学微结构重点实验室，上海200444)摘 要: 基于不同 mn 和 w 含量的 4cr2mo2w2v 热锻模具钢的回火特性曲线，以及在 620 不同保温时间的力学性能，揭示了不同 mn 和 w 含量下 4cr2mo2w2v 钢中碳化物的演变规律，并探讨其对该钢高温性能的影响。同时，结合 johnson-mehl-avrami ( jma) 方程分析了合金元素 mn 和 w 对回火稳定性动力学过程的影响。结果表明，mn 和 w 元素的增加使 4cr2mo2w2v 钢的二 次硬化峰向右移动，热稳定实验与理论分析结果一致，mn 和 w 元素能有效抑制碳化物粗大，增强马氏体的抗回复能力。 关键词: 热稳定性;马氏体热锻模具钢;jma 方程中图分类号: tg162. 8文献标志码: a文章编号: 1009-6264( 2014) 增刊-0066-04effect of mn and w on thermal stability of 4cr2mo2w2v die steelzhu chun-yan1 ， shi nan-nan1 ， zuo peng-peng1 ， min na2 ， wu xiao-chun1( 1 college of materials science and engineering，shanghai university，shanghai 200072，china;2 laboratory for microstructure，shanghai university，shanghai 200444，china)abstract: the influence of different contents of mn and w elements on the carbides evolution and high temperature properties of4cr2mo2w2v hot forging die steel was investigated based on the relationship between hardness and tempering temperature and the mechanical properties of the steel tempering at 620 holding for different time meanwhile，the kinetic of thermal stability during tempering was evaluated combined with the johnson-mehl-avrami ( jma) equation the results indicate that，with the increasing of mn and w contents，the secondary hardening peak of 4cr2mo2w2v shifts to the right the experimental results obtained from the thermal stability test are consistent with the theoretical calculation，it suggests that the mn and w elements can inhibit the coarsening of carbide and improve the anti-recovery capability of martensitekey words: thermal-stability; martensitic hot forging die steel; jma equationdoi:10.13289/j.issn.1009-6264.2014.s2.016随着制造工艺技术的迅速发展，越来越多的零件产品需要采 用 热 冲 压、热锻造等热加工工艺进行成 型。热锻模在 工 作 过 程 中，不仅要与高温金属相接 触，还需要在高温下承受挤压、冲击等载荷的作用，这 就要求热锻模具材料在高温下具有良好的抗软化能 力，即热锻模具钢必须具有高的热稳定性能。目前，国内常用的热作模具钢中，3cr2w8v 热硬 性较好，但其热疲劳抗力差，模具常因发生龟裂而产生失效1-2。我国在 20 世纪 80 年代初引进国外铬系 热作模 具 钢 h13 ( 4cr5mosiv1 ) ，h13 钢 有 较 好 的 冲 击韧性和抗冷热疲劳性能，在使用温度不超过 600 时可代替 3cr2w8v 钢，但 是 h13 的 淬 透 性 稍 差，不宜制造尺寸较大的模 具，并且热稳定性也不够理 想3。有研究表 明，mn 作为合金化元素，也 是 弱 碳化物形 成 元 素，能稳定残留奥氏体，降 低 ms 点 以 扩大奥氏体相区4-5，并能增加钢的淬透性，提高钢的韧 性6。mn 元素能够溶入碳化物，在高温下阻碍碳化 物的粗化7，且随着温度的升高，保温时间的延长， 其阻碍能力 越 强，则热稳定性能越 好8。w 元 素 在 其含量较少时，多溶于渗碳体中形成合金渗碳体，当 其含量较高时，则可能形成新的碳化物，缩小奥氏体 相区9。w 在模具钢中的主要用途是增加回火稳定 性、热硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐 磨性。w 还可以降低钢的过热敏感性、增 加 淬 透 性 和提高硬度。近年来上海大学自主研发了新型中合金热作模 具钢 4cr2mo2w2v，本文针对 4cr2mo2w2v 钢，改变 mn 和 w 的含量，通过热稳定数据 的 对 比，结 合 jma 方程研究 了 mn 和 w 对热作模具钢回火抗力的影 收稿日期:基金项目:作者简介:2014-03-04; 修订日期: 2014-05-09国家自然科学基金( 51171104) ; 国家青年科学基金( 51301100)朱 春 燕 ( 1990) ，女，从 事 模 具 钢 性 能 研 究，e-mail:zcyhapi sina com。通讯作者:闵娜，女，副 研 究 员，主要 从事金 属材料强韧化研究，电 话:e-mail: minnacy shu edu cn。朱春燕等: mn 和 w 元素对 4cr2mo2w2v 模具钢热稳定性的影响增刊67响，并分析不同成分热稳前、中、后的组织差异，探讨了 mn 和 w 对 4cr2mo2w2v 钢热稳定性的影响 特征。1 实验材料及方法1. 1 实验材料通过 改 变 4cr2mo2w2v 钢 的 合 金 成 分，采 用2a071921 电弧熔炼系统分别炼制 100 g 的纽扣锭，经 石英管 真 空 封 装，在 900 预 热 保 温 1 h，再 升 温 到1250 保温 8 h 进行高温均质化处理，而后取出并轧 制成目标尺寸的薄板，最后在 860 保温 5 h 进行退 火并炉冷至 300 左右空冷。试验材料的化学成分 如表 1。表 1 试验材料合金成分( 质量分数，%)table 1 composition of testing alloys ( mass fraction，%)图 1 回火温度与硬度关系曲线fig 1 elationship between hardness and tempering temperature2 为 620 下 3 种钢的热稳定曲线，由 图 2 可 知，在620 保温 14 h 的 过 程 中，dm1 硬度值始终高于 dm2 和 dm3 ，且 最 先 达 到 硬 度 平 台。 说 明 dm1 的热稳定 性 能 最 好。可 以 观 察 到 保 温 的 前 5h，dm2( 低 mn 高 w) 硬度值降低幅值最大，dm1 ( 高 mn 高w) 和 dm3 ( 高 mn 低 w ) 下 降 幅 度 接 近，证 明 在620 下，提高 mn 含 量 可以抑制初期马氏体的回 复; 而大于 5 h 后，dm2 和 dm3 硬度下降趋势接近， 且 与 dm1 的硬度差越来越大，表明低 mn 高 w 和高 mn 低 w 的合金化思路，在大 于 5 h 的 后 期 过 程 中， 热稳定性都较差，且变化趋势接近。再对比 dm1 和 dm3 可以发现，在其余合金元 素 成 分均相同的情况 下，w 含量高的 dm1 的热稳定性在保温前 5 h 变 化 不明显，而在保温 超 过 5 h 后 明 显 优 于 dm3 。可 见 在 620 下，提高 w 含量可以大幅度抑制后期马氏 体的回复。alloycsimncrmowvfedm1dm20. 400. 400. 500. 501. 040. 212. 602. 601. 651. 653. 103. 001. 091. 09balbal dm3 0. 40 0. 49 1. 06 2. 60 1. 95 0. 11 1. 09 bal 1. 2 实验方法将试验材料淬火后，采用 s2-5-12 箱式炉分别在350、400、450、500、530、560、590 和 620 8 个温度下 回火 2 h，试 样 尺 寸 为 7 mm 10. 5 mm，然 后 按 照 gb / t 230. 1 2000 检测标准测试材料不同温度下的 洛氏硬度值。采用 s2-5-12 箱式炉在 620 下 保 温 14 h 进 行 热稳定性试验，试样尺寸为 7 mm 10. 5 mm，通 过 热稳定试验的硬度曲线，研究回火硬度随保温时间的 变化规律。2实验结果及讨论2. 1回火温度与硬度曲线dm1、dm2、dm3 钢的不同回火温度与硬度关系 的曲线 如 图 1 所 示，由 图 1 可 以 看 出，dm1、dm2 和 dm3 钢分别在 530 、500 、500 出 现 二 次 硬 化 峰。可见 mn、w 含量的增加使得二次硬化 峰 右 移。 为了使 3 种钢有可比性，设定 3 种材料的回火温度为520 ，回火两次。2. 2mn、w 对热稳定性的影响将 dm1、dm2、dm3 钢经 1050 淬火，520 回 火热处理后，加 工 成 尺 寸 为 7 mm 10. 5 mm 的 试 样，在 620 长时间保温，通过测定保温不同时间后 试样的硬度，反映材料在高温工作下性能的好坏。图图 2 620 下的热稳定曲线fig 2 curves of thermal stability of the steels at 620 因此，在 4cr2mo2w2v 钢 中 高 mn 高 w 的 合 金化思路可以保证 620 保温整个过程的热稳定性; 高mn 低 w 合金化思路只能保证 620 保温过程中前5 h 的热稳定性; 而低 mn 高 w 合金化思路在 620 材 料 热处理 学 报第 35 卷68原子沿着 位错和晶界扩散来控制。而 文 献8 指 出，由于在回火初期 mn 的分配系数远小于平衡状态，因 而 mn 原子在回火初期对碳化物长大的抑制作用 有 限，而在后期逐渐富集于 相中，从而增加对碳化物 长大的抑制作用。由此可见 mn 和 w 元素含量的减 少使得回火过程中碳化物易于粗大，也就是 mn 和 w 的含 量 增 加 可 有 效 抑 制 碳 化 物 的 粗 化，提 高4cr2mo2w2v 钢的抗回火稳定性。保温过程中没有任何明显作用。由此可见，mn 元素在 4cr2mo2w2v 钢的热稳定性中起着主要作用，在 保证一定的 mn 含量的同时提高 w 含 量，才 能 保 证4cr2mo2w2v 钢在 620 整个保温过程中具备极佳 的热稳定性，延长模具的使用寿命。2. 3高温时效动力学由 johnson，mehl10和 avrami11-13同时提出的描述固态相变受扩散控制的回火动力学规律，根据他们的理论，watte 等14 基 于 jma 方程提出了回火动力 学规律:= 1 exp( dtn )( 1)其中 是 回 火 率，t 为 回 火 时 间，n 为 avrami 指 数，d取决于回火温度，并遵循 arrhenius 方程。= d0 exp ( )hd( 2)t其中 d0 为前指数常数，h 为回火转变活化能， 为理想气体常数( 等于 8. 3143 kjmol 1k 1 ) ，t 是 等 温 回火温度( k) 。在本文中，回火率被定义为:图 3dm1、dm2、dm3 钢在 620 回火保温下的 avrami 指数 nfig 3 avrami exponent n of dm1，dm2，dm3 steel during tempering at 620 h h0= h( 3) h0其中 h0 、h 和 h 分别是淬火硬度，退火硬度和淬回 火中 间 状 态 的 硬 度。 方 程 ( 2 ) 可以整理后表示为 2. 4微观组织分析图 4、图 5 和图 6 分别是 dm1、dm2 和 dm3 钢在ln ( ln () ) 与 lnt 的关系，如下:1620 保温过程中的金相 图。由 图 可 知，淬 回 火 后dm1 和 dm2 钢的马氏体形貌比淬回火后的 dm3 钢要 更加细小、均匀。经保温 5 h 后，3 种试样钢的组织形 貌相近，均发生了明显的回复，其中，低 mn 的 dm2 钢 的硬度值偏低，且由金相图可以 看 出 dm1 钢 比 dm2 钢的碳化物更加细小，可见 mn 元素能够阻碍高温下 碳化物的粗化。经保温 14 h 后，含合金元素 w 较少的 dm3 钢的碳化物明显大于 dm1 钢和 dm2 钢，w 含量 的减小大大降低了 dm3 钢的马氏体抗回复能力。总之， 合金元素 mn 和 w 对合金体系的热稳定性能影响很大， 即提高 mn 和 w 的含量可以合金提高的热稳定性。1 x( t)ln ( ln () ) = nlnt + lnd1( 4)1 x( t)将测得的硬度值，代 入 公 式 ( 3 ) ，再 代 入 公 式( 4) ，整理结 果 显 示 在 图 3。dm1、dm2、dm3 钢 分 别 在 620 下保 温 14 h 后 的 avrami 指 数 n 分 别 等 于0. 20、0. 35 和 0. 29。其 中 含 w 量 较 高 的 dm2 钢 在620 n值 接 近 1 /3，根 据lifshitz-slyozov-wagner( lsw) 理论表明碳化物的粗化动力学过程由体扩散控制8，15。而 lindsley 等16-17 指出在马氏体回火过 程中 n 值 降 至 0. 20 0. 23，认为碳化物的粗化由碳 图 4 dm1 钢热稳定试样组织 ( a)淬回火; ( b) 热稳 5 h; ( c) 热稳 14 hfig 4 microstructure of dm1 steel of thermal stability test ( a) quench and temper; ( b) after 5 h; ( c) after 14 h朱春燕等: mn 和 w 元素对 4cr2mo2w2v 模具钢热稳定性的影响增刊69图 5 dm2 钢热稳定试样组织 ( a) 淬回火; ( b) 热稳 5 h; ( c) 热稳 14 hmicrostructure of dm2 steel of thermal stability test ( a) quench and temper; ( b) after 5 h;( c) after 14 hfig 5图 6 dm3 钢热稳定试样组织 ( a) 淬回火; ( b) 热稳 5 h; ( c) 热稳 14 hmicrostructure of dm3 steel of thermal stability test ( a) quench and temper; ( b) after 5 h;fig 6( c) after 14 h3结论4cr2mo2w2v 钢中 mn 和 w 含量的增加，使其二可以得出 mn 和 w 元素含量的减少使得回火过程中碳化物易于粗 大，即 mn 和 w 的含量增加可有效抑 制碳化物 的 粗 化，提 高 4cr2mo2w2v 钢 的 抗 回 火 稳 定性。次硬化峰向右移动，在 620 下热稳定性有着明显的提高，基于 jma 方程计算结果和微观组织对比分析，参 考 文 献1 朱利娟，闵 娜，计天予，等 低温处理对 3cr2mocowv 热锻模具钢性能及组织的影响j 材料热处理学报，2012，33 ( 5) : 64 69zhu li-juan，min na，ji tian-yu，et al effects of low temperature treatment on mechanical properties and microstructure of 3cr2mocowv hotworking die steelj transactions of materials and heat treatment，2012，33 ( 5) : 64 69姜祖赓 模具钢m 北京: 钢铁冶金出版社，1988: 9 10周敬恩 模具材料选用、热处理与使用寿命j 金属热处理，1999( 5) : 1 9zhou jing-en selection and heat treatment of die materials and service life of diesj heat treatment of metals，1999( 5) : 1 9lee s，lee s j，cooman b c austenite stability of ultrafine-grained transformation-induced plasticity steel with mn partitioningj scripta meterialia，2011，65( 3) : 225 228grajcar a，kwasny w microstructural study on retained austenite in advanced high-strength multiphase 3mn-1. 5al and 5mn-1. 5al steelsj journal of achievements in materials and manufacturing engineering，2012，54( 2) : 168 176moor e d，matlock d k，speer j g，et al austenite stabilization through manganese enrichmentj scripta materialia，2011，64( 2) : 185 188zhou q c，wu x c，shi n n，et al microstructure evolution and kinetic analysis of dm hot-work die steels during temperingj materials science and engineering a，2011，528( 18) : 5696 5700miyamoto g，oh j c，hono k，et al effect of partitioning of mn and si on the growth kinetics of cementite in tempered fe-0. 6 mass% c martensitej acta material，2007，55( 15) : 5027 5038孙珍宝 合金钢手册m 北京: 冶金工业出版社，1984johnson w a，mehl f eaction kinetics in processes of nucleation and growthj transactions of the american institute of mining，metallurgical，and petroleum engineers，1939，135: 416 458avrami m kinetics of phase change i general theoryj jou