熱作模具鋼是熱態金屬或液態金屬成形的模具用鋼，一般用於熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三大類。其主要特點是在生產過程中需要經常與再結晶溫度以上的金屬接觸，這也是與冷作模具鋼的主要區別[1]。熱作模具鋼使用環境惡劣，不僅要承受高溫載荷，還要承受激冷激熱，因此會出現表面氧化、熱機械疲勞、高溫磨損、開裂等[2-7]，這就要求熱作模具鋼具有良好的熱穩定性和抗熱疲勞性能[8]。熱成形模具鋼主要用於高溫下成形高強度結構用鋼，結構用鋼的拉伸強度高達1 500 ~2 000 MPa，這對熱成形模具鋼的綜合性能提出了更高的要求[9]。
針對熱成形模具鋼複雜的服役條件、失效形式及其原因，應將熱成形模具鋼作為特殊用途的熱作模具鋼，需具備優越的合金配比與配套工藝，保證其使用壽命和性能。不同合金元素在熱成形模具鋼中具有不同作用[10-14]，形成的Mo、V類強碳化物合金元素含量較低時，固溶於鐵素體中起到固溶強化作用，含量較多時從過飽和固溶體中析出而形成合金碳化物。其中V在回火過程中，能從淬火馬氏體基體上彌散析出，且不易聚集長大、粗化，增強鋼的回火穩定性，所以V是提升熱成形模具鋼高溫強度和韌性的關鍵元素。但是有研究發現[15-17]，過多的V會在高溫緩冷階段產生較多大顆粒未溶碳化物，使鋼的脆性升高，韌性下降；另一方面，會使鋼的回火軟化加快，強度降低，使鋼的強韌性都降低，且由於V價格高，添加過多的V會造成生產成本增高。Si對鐵素體進行固溶強化較有效，僅次於P，但過高的Si含量在一定程度上會降低鋼的韌性和塑性，同時Si容易使鋼出現帶狀組織，使鋼的脆性轉折溫度升高，一般都將Si含量限制在鋼脫氧需要的範圍。Cr在鋼中既能與C形成鉻碳化合物，也能固溶在基體中起固溶強化作用。鉻碳化合物能提高鋼的耐磨性和耐蝕性，在鋼中適量添加Cr還能增加過冷奧氏體的穩定性，使過冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線右移，提高鋼的淬透性。在H13鋼化學成分的基礎上通過降低V、Si，提高Cr含量的方法開發新型熱作模具鋼CR6V，並研究CR6V鋼和H13鋼在同等試驗條件下的組織與性能差異。
1試驗材料與方法
1.1 試驗材料和熱處理方法
所用CR6V鋼和H13鋼的製備工藝為電爐熔煉→電渣重熔→多向鍛打→球化退火，球化退火溫度為860 ℃，其化學成分如表1所示。分別切割CR6V鋼和H13鋼試樣5塊，尺寸為30 mm×30 mm×60 mm。JMatPro軟體模擬獲得2種材料的Ac1、Ac3、Ms、Mf溫度點用作熱處理的工藝參考，如表2所示。將試樣樣塊在空氣爐中加熱至1 030 ℃，保溫2 h，油淬至室溫。淬火後的CR6V鋼和H13鋼的硬度分別為53.5、52.7 HRC，將淬火後的樣塊分別在520、540、560、580、600 ℃回火2 h，最後空冷至室溫。
表1 CR6V鋼和H13鋼化學成分 ( 質量分數 )
表2 CR6V鋼和H13鋼相轉變溫度
1.2 硬度與衝擊及摩擦磨損與顯微組織評價
將熱處理後的試樣打磨脫碳層並拋光，採用HR-150A型洛氏硬度計測試不同回火態試樣的硬度，取5個測量點的均值。採用7 mm×10 mm×55 mm無缺口衝擊樣品，使用452D-2金屬擺錘衝擊試驗機測量CR6V鋼和H13鋼520、540、560、580、600 ℃回火試樣的衝擊性能，取3塊試樣的平均值。在UMT-3摩擦磨損試驗機測試耐磨性能試驗鋼的試樣尺寸為 φ15 mm×5 mm，採用鋼球對磨測試材料的耐磨性，鋼球下壓力為5 N，持續時間30 min。衝擊測試的試樣端部經砂紙打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液侵蝕後採用4XCJX倒置三目光學顯微鏡觀察顯微組織。金相試樣用無水酒精超聲波清洗後採用掃描電鏡點掃進行回火組織表徵。
2試驗結果與討論
2.1 回火態硬度
圖1所示為CR6V鋼和H13鋼在520~600 ℃回火2 h的硬度曲線。由圖1可知，2種鋼的硬度都呈下降趨勢，且CR6V鋼相較於H13鋼平均硬度低1~4 HRC。CR6V鋼在520~540 ℃及580~600 ℃內硬度下降趨勢明顯，在540~580 ℃內硬度下降趨勢平緩；H13鋼在520~580 ℃內硬度呈穩步下降趨勢，在580~600 ℃內硬度下降明顯。
圖1 CR6V鋼和H13鋼在520~600 ℃回火2 h後硬度
圖2所示為CR6V鋼和H13鋼不同溫度回火2 h的衝擊功，從圖2可以看出，CR6V鋼相對於H13鋼具有更好的韌性，衝擊功明顯高於H13鋼。除了560 ℃，其餘溫度回火的CR6V鋼衝擊韌性均高於H13鋼50~60 J左右，在硬度與衝擊測試中，CR6V鋼與H13鋼均在560 ℃時出現反常。
圖2 CR6V鋼和H13鋼不同回火溫度2 h後衝擊功
圖3所示為CR6V鋼和H13鋼分別在560 ℃和600 ℃回火2、4、9、15、20、25 h後得到的硬度曲線。從圖3可以看出，CR6V鋼和H13鋼硬度在總體上呈現下降趨勢，CR6V鋼總體硬度低於H13。其中，H13鋼在560 ℃和600 ℃保溫時間小於15 h時，硬度下降先快後慢，曲線隨後變得平緩，硬度趨於47 HRC（560 ℃）和38 HRC（600 ℃），而CR6V鋼則在保溫20 h後曲線才開始平緩，硬度趨於45 HRC（560 ℃）和34 HRC（600 ℃）。由上述試驗結果可知，隨著保溫時間的延長，2種鋼的硬度都呈現下降趨勢，而隨著回火溫度的提高，硬度下降的幅度越來越大，最終的硬度也越低。整體上比較，CR6V鋼的硬度變化範圍略大於H13鋼，前者的硬度下降幅度也更急劇。
圖3 CR6V鋼和H13鋼在不同時間回火後的硬度曲線
2.2 退火態顯微組織
圖4所示為CR6V鋼和H13鋼的球化退火光學顯微組織。退火處理的目的是使鋼中組織和成分更加均勾，在後續的熱處理過程中，合金元素會更均勻地固溶進奧氏體基體中，另外也有利於後期的模具零件機加工。從圖4可以看出，2種試驗鋼退火態組織為鐵素體上均勻分布大量的細小碳化物。相對而言，CR6V鋼比H13鋼具有更細小的晶粒組織，碳化物更細小彌散。
圖4 CR6V鋼與H13鋼退火態顯微組織
在SEM電鏡下觀察2種鋼的球化退火組織，如圖5、圖6所示。CR6V鋼和H13鋼含有較多的未溶碳化物，且CR6V鋼相對於H13鋼的未溶碳化物更密集，顆粒密度更大。2種試驗鋼的碳化物主要呈現為球狀或橢球狀。經EDS能譜分析可得，2種試驗鋼的碳化物均為富Cr、Mo型碳化物，同時含有少量的V，由此推斷，2種試驗鋼退火態的析出相可能為Cr23C6、Mo2C或Cr7C3、MoC和VC[18,19]。Fe的出現是因為掃描的光斑半徑超出了碳化物的尺寸，測到了基體的成分，故不分析。
圖5 CR6V鋼退火態SEM組織及EDS能譜
圖6 H13鋼退火態SEM組織及EDS能譜
圖7所示為CR6V鋼與H13鋼分別在560 ℃和600 ℃回火2 h後的SEM組織，從圖7可以看出，在560 ℃時，CR6V鋼和H13鋼可以看到清晰的馬氏體組織，且馬氏體基體上彌散著少量細小的碳化物。隨著回火溫度的提高，600 ℃回火碳化物析出數量比560 ℃更多，同時伴隨著碳化物的長大粗化，600 ℃回火的板條馬氏體恢復程度比560 ℃稍大，且2種試驗鋼在600 ℃時，球狀碳化物的數量也開始增多。相對於H13鋼，CR6V鋼的馬氏體恢復程度更小，晶粒也更加細緻均勻。
圖7 CR6V鋼與H13鋼在560 ℃與600 ℃的SEM組織
圖8所示為CR6V鋼與H13鋼分別在560 ℃和600 ℃回火2 h後的EDS能譜，由圖8（a）、（b）可知，CR6V鋼馬氏體基體上的碳化物類型為富Cr型碳化物，Cr含量在560 ℃和600 ℃時分別達到10.29％、19.05％。而H13鋼馬氏體基體上的碳化物種類則為富V型碳化物，V含量在560 ℃和600 ℃時分別達到24.98％、21.26％
圖8 CR6V鋼與H13鋼在560 ℃與600℃的EDS能譜
2.3 摩擦磨損
圖9所示為CR6V鋼和H13鋼在600 ℃回火2 h後得到的摩擦係數變化曲線，CR6V鋼的摩擦係數要小於H13鋼。雖然磨損前期CR6V鋼的摩擦係數呈現不規則的波動增長，但當磨損時間超過1 000 s後，摩擦係數則趨於穩定在0.3左右，並有繼續下降的趨勢。相對而言，H13鋼的摩擦係數在磨損前期同樣有較大的波動，在0.4~0.8區間，磨損500 s後則穩定在0.5~0.6。綜上所述，CR6V鋼具有更優的耐磨性能。
圖9 CR6V鋼和H13鋼的摩擦係數變化曲線
▍原文作者：孟孜晗，吳英傑，吳日銘
▍作者單位：上海工程技術大學