奥氏体化温度对4Cr5Mo2V热作模具钢耐磨性的影响

原标题：奥氏体化温度对4Cr5Mo2V热作模具钢耐磨性的影响

1.1 试验钢制备及热处理

20 采用真空感应熔炼炉制备kg/试验钢锭，退火后去除表面氧化皮和收缩孔；用天然气加热炉加热至1 240 ℃并保温2 h，三向锻炼至25 mm（厚）×55 mm(宽)钢条后球化退火。4Cr5Mo2V热作模具钢的化学成分如表1所示。

表1 4Cr5Mo2V热作模具钢化学成分 ( 质量分数 )

在退火4Cr5Mo2V热作模具钢的试样上切取6个20 mm×20 mm×30 mm采用箱式电阻炉加热的小钢块，分别为960、980、1 000、1 020、1 040、1 060℃保温1 h组织观察后油淬，切割样品，测试硬度。然后在6个不同的淬火温度下统一4Cr5Mo2V600 热作模具钢试样℃二次回火，每次回火保温2 h，采集微组织形状，测量洛氏硬度。

1.2 试验方法

采用HR-150A洛氏硬度计测试淬火和回火样品的硬度，打磨每个样品，避免表面粗糙度对硬度测量的影响。每组样品测量6点，去除更高值和更低值后取平均值。砂纸抛光后，用4%硝酸酒精溶液侵蚀硬度样品，并用倒置三目金相显微镜4XCJX观察样品的显微组织。然后用超声波清洗金相样品，然后扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜型号用于组织表征FEI Quanta 250℃回火后的试样进行砂纸打磨后，采用UMT-3摩擦磨损试验机进行常温摩擦磨损试验，试验载荷为50 N，转速为100 r/min，旋转直径为φ5 mm，摩擦副材料为氮化硅，使用VHK-600K数码显微镜和FEI Quanta 250扫描电镜观察磨损形状。

2.1 奥氏体化温度与沉淀相质量分数的关系

由JmatPro软件计算的4Cr5Mo2V热作模具钢奥氏体化温度与沉淀相摩尔质量的关系如图1所示。从图1可以看出，随着淬火温度的升高，4Cr5Mo2V热作模具钢M23C6型碳化物在600~830 ℃保持稳定，其质量分数为7.15当温度在830~850 ℃时，M23C6钢中型碳化物含量急剧下降；当温度为925 时℃时，M23C6完全消失在钢中。M6C钢中型碳化物的温度范围为600~800 ℃及820~970 ℃，MC型碳化物的温度范围为600~1 050 ℃。当奥氏体化温度在970 ℃只有难溶性MC和M23C6、M6C奥氏体中溶解型碳化物。值得注意的是，不溶性MC碳化物的溶解温度也是4Cr5Mo2V热作模具钢的完全奥氏体化温度。

图1 奥氏体化温度与沉淀相质量分数的关系

2.2 硬 度

由图2（a）可知，4Cr5Mo2V随着淬火温度的升高，热作模具钢的淬火硬度逐渐升高，在1 020 ℃淬火温度下的硬度峰值为58 HRC。由图2（b）可以看到4Cr5Mo2V热作模具钢在不同温度下淬火，然后在600 ℃随着淬火温度的升高，回火后的硬度也逐渐升高。

图2 4Cr5Mo2V热作模具钢的硬度随淬火温度而变化

2.3 微组织形状

由图3（a）可以看到4Cr5Mo2V热模钢经 1 020 ℃淬火后的组织是马氏体，许多碳化物颗粒分布在每个板条上。3（b）中发现4Cr5Mo2V1 060 热模钢℃淬火后，奥氏体化基本完成，碳化物没有在马氏体基体上观察到。由于奥氏体化温度升高，板条马氏体比1 020 ℃淬火时更厚，结果与图1相同JmatPro碳化物溶解结果与软件计算相一致。

图3 4Cr5Mo2V1 020 热模钢℃及1 060 ℃淬火的回火SEM组织和能谱分析

从图4金相组织可以看出，960、980、1 000 ℃淬火并600 ℃回火后，4Cr5Mo2V热模钢金相组织晶界浑浊，由于淬火温度低，有大量的初生碳化物，影响晶界的清晰度。当淬火温度进一步升高到1 020、1 040、1 060 时℃晶界逐渐清晰，晶粒粗化，马氏体板条粗化。

图4 不同温度淬火600 ℃回火后的金相组织

2.4 摩擦系数和磨损量

由图5（a）、（b）可知，4Cr5Mo2V热作模具钢的摩擦过程经历了两个阶段，一是跑合阶段[17]，4Cr5Mo2V热作模具钢表面的微凸面与摩擦副接触，使摩擦系数急剧增加，然后是稳定阶段。摩擦产生的磨屑逐渐压实后，磨损趋于稳定。4Cr5Mo2V960、980、1 000、1 020、1 040、1 060℃淬火并600 ℃回火后的平均摩擦系数分别为0.35、0.4、0.52、0.32、0.22、0.6。

磨损是评价材料耐磨性的重要指标，图5（c）所示为不同淬火温度4Cr5Mo2V热模钢磨损量。5（c）可知，4Cr5Mo2V随着淬火温度的提高，热作模具钢的磨损量逐渐减小。960 ℃淬火时，磨损量更大值为1.0 mg，在 1 060 ℃淬火时，更小磨损值为0.2 mg，即淬火温度升高，4Cr5Mo2V热作模具钢的耐磨性越好。

图5 4Cr5Mo2V热作模具钢经不同温度淬火600 ℃回火后的摩擦系数和磨损量

2.5 磨损表面形状

由图6中4Cr5Mo2V从热模具钢的超景深摩擦磨损形状可以看出，其摩擦磨损类型主要是粘附磨损和剥落磨损[18]。在摩擦磨损过程中，如图所示6（a）、（d）剥落层、图中的剥落层6（c）粘着磨损形成的磨损槽，图6（e）中间的附着物。根据图7，磨损表面有粘附磨损特性的塑性变形区，剥落的磨屑在载荷作用下来回移动4Cr5Mo2V热作模具钢的磨损表面出现深犁沟，形成剥落磨损，氧化物挤压到犁沟两侧，形成更致密的氧化层。这是由于在摩擦载荷的作用下，试验钢与摩擦副之间的滑动和滚动产生的局部应力集中，导致沿磨损方向的微裂纹膨胀导致微切割和犁沟的形成。微裂纹和微切割是材料磨损的主要因素[19-21]，以磨屑的形式去除材料的磨损[22]。比较图7（a）~（c）可以发现4Cr5Mo2V1 020 热模钢℃淬火产生的剥层现象更严重，经1 040 ℃淬火次之，1 060 ℃淬火产生的剥层现象更轻。

图6 4Cr5Mo2V热作模具钢经不同温度淬火600 ℃回火后的摩擦磨数显微

图7 4Cr5Mo2V热作模具钢经不同温度淬火600 ℃回火后的摩擦磨损SEM形貌

试验结果表明，随着奥氏体化温度的升高，不同类型的碳化物溶解在基体中，增强了固体溶解强化。试验钢的硬度随淬火温度的升高而增加，如图2所示。1 040 ℃继续升温时，碳化物溶解基体数量减少，奥氏体化进一步进行，残留奥氏体数量增加，晶粒粗大，导致板条马氏体粗化[23]。从图1可以看出，4Cr5Mo2V1 050 热作模具钢℃奥氏体完全化，即奥氏体完全化MC奥氏体完全融入型碳化物。MC型碳化物主要是富人V型碳化物，即VC[24]结合图1和图13（c）也证明了能谱分析MC富含型碳化物V碳化物VC。由图2（b）可以看出，试验钢在不同温度后，600 ℃由于淬火温度的升高，回火硬度增加4Cr5Mo2V在奥氏体化过程中，随着温度的升高，初级碳化物逐渐溶解在奥氏体中，消除了初级碳化物对二次碳化物沉淀的影响，增强了二次碳化物的沉淀强化和扩散强化效果，如图8所示，奥氏体完全融化后，无液相沉淀VC当回火后，它可以沉淀更多并扩散VC。

由图5（a）、（b）可知，4Cr5Mo2V 1 060 热作模具钢℃更大摩擦系数0.6，在1 040 ℃更小摩擦系数0.22。高摩擦系数是由于去除基体形成的颗粒状磨屑，不规则。嵌入基体后，增加摩擦阻力，增加摩擦系数。低摩擦系数是由于粘附磨损可以润滑，降低摩擦阻力，降低摩擦系数。5（c）随着淬火温度的升高，4Cr5Mo2V热作模具钢的磨损量逐渐减少， 1 060 ℃淬火时的耐磨性更好，磨损量仍然是由较大的硬碳化物引起的微切割引起的。结合图1JmatPro软件计算结果，4Cr5Mo2V热作模具钢的奥氏体完全温度为1 050 ℃。即960、980、 1000、1 020、1 040、1 060℃淬火过程中，沉淀VC奥氏体化温度影响基体的持续固溶VC固溶/沉淀率如图8所示。奥氏体化后液相沉淀不溶碳化物VC的存在使得4Cr5Mo2V热作模具钢的耐磨性减弱。而研究表明回火析出的VC热稳定性高[24-26]，磨损过程中不会粗化，使基体表面保持轻微磨损[27]。结合图2和图25（c）可以发现，硬度和耐磨性随着淬火温度的升高而增加，这与参考文献[28、29]的研究结果一致，即高材料表面硬度可以提高材料表面的耐磨性。

图8VC固溶/沉淀对比

原作者：胡涛 吴日明 李方杰项少松 黄山

作者单位：1. 上海工程技术大学；2. 上海市激光先进制造技术协同创新中心返回搜狐，查看更多

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