钒对热作模具钢表面渗碳组织和性能的影响

2022-05-19 16:17:55 资讯

原标题：钒对热作模具钢表面渗碳组织和性能的影响

0引言

渗碳是金属表面处理方法之一。渗碳处理后，工件表面和内部有不同的组织特征：表面为过分析体，组织为珠光体和渗碳体；过渡区为分析珠光体，心为铁素体和珠光体的亚分析组织[1]。渗碳工件具有表面硬度和良好的心韧性。淬火后，表面处于压力应力状态，能更好地承受磨损、疲劳和冲击载荷[2]。此外，在金属中添加适当的合金元素也可以改变钢的组织和性能V它是钢二次硬化的重要元素，硬度高，可塑性强，不易氧化[3,4]。V添加到钢中可以细化晶粒，降低热敏感性，提高强度和耐磨性[5]。然而，钒的价格非常高。在大规模生产中，必须考虑成本合理调整V更佳比例。岳超华等[6]分析Mn、Cr和Si结果表明，机械合金化为600 ℃真空热处理可采用单相渗碳体，Si添加抑制渗碳体的产生，添加Mn、Cr促进渗碳体的产生。研究了程巨强[7]15MnNi4Mo对其组织和表面硬度的影响表明，680 ℃回火、820 ℃加热油冷，200 ℃回火热处理可细化渗层组织，提高渗碳层表面硬度。郝士明等[8]研究4Cr5MoVSi（H11）结果表明，钢的内氧化渗碳层组织，H11钢在0.19%~0.88在%碳势下渗碳时，可以实现M7C3碳化物沉淀在渗碳层中，碳势对渗碳层组织有明显影响0.49%提升到1.36当碳势达到时，表面碳含量和碳化物数量逐渐增加1.42%时，渗碳层表面出现M3C碳化物，这种碳势明显高于热力学估计值。由于碳钢具有一定的塑性、韧性、强度和良好的切割性，质量调节处理具有良好的综合力学性能，但淬火性差，容易产生裂纹，渗碳处理可以提高钢的表面硬度，减少裂纹。现有的研究很少涉及V基于市场对提高中碳热作模具钢性能的需求，对热作模具钢渗碳后的性能和组织产生了不同的影响V含量为冶炼、锻造、退火、质量调节处理三种试验钢，渗碳处理工艺相同，组织性能综合评价，揭示V热作模具钢表面渗碳的影响规律。

1试验材料及方法

1.1 试验材料

含有试验材料V量为0、0.2%、0.55%的3种4Cr5Mo2VSi钢，分别命名为V0、V2、V55，如表1所示，将样品切割成10 mm×10 mm×30 mm长条。渗碳前样品为1 030 ℃油淬及580 ℃表面硬度分别为423、485和470 HV0.2N。用碳化硅砂纸打磨样品表面，然后抛光到镜面，更后在丙酮环境中清洗干燥超声波。

表1 试验钢化学成分 ( 质量分数 )

1.2 渗碳处理

滴注气体渗碳炉试验RQ3-25-9首先进入对流气体N2，在650 ℃下预热30 min，达到渗碳温度后，保温30 min3 真空渗碳时间h，扩散碳势为0.9，扩散时间为2 h，500 渗碳压力Pa[9]碳化后，冷却至淬火温度830 ℃并保温30 min，200 ℃回火3 h，如图1所示。

图1

1.3 组织性能

用线切割渗碳样品，沿中心切割长方体试块，用4%硝酸酒精溶液腐蚀。M-4XC倒置金相显微镜用于观察横截面的截面形状S-3400N通过扫描电子显微镜观察样品的微观结构。FM-ARS900显微硬度测试仪测量渗碳层的硬度梯度，载荷为0.2 N，保持时间15 s，每个样品至少测量3次，以减少测量误差，并用硬度梯度法测量渗碳层的厚度[10]。HT-1000型摩擦磨损试验机对样品进行常温摩擦磨损试验，试验载荷为10 N，转速为100 r/min，30 试验时间min，旋转直径为φ5 mm，磨件采用Si3N4球体试验无润滑。

2测试结果及分析

2.1 显微组织

从表面到基体的渗碳试样组织呈三层结构，如图2所示。从图2可以看出，不包括V晶粒大，渗碳不均匀，影响表面硬度和耐磨性。V随着渗碳过渡层马氏体组织尺寸的增加，硬度高，耐磨性好。对于渗碳钢，添加说明V改善其过渡层的组织结构。

图2

图3显示了金相显微镜下渗碳层心部的形状。从图3可以看出，当V含量为0.2%和0.55许多白色碳化物颗粒分布在渗碳层心，V含量越高，碳化物颗粒越小，分布越分散。当材料损坏时，粗碳化物很容易连接成网状，导致零件在使用过程中开裂或剥落。相比之下，分散的颗粒碳化物组织更理想，足够的碳浓度确保了零件表面的硬度和耐磨性[11]。

图3

距离表面100 μm的位置进行EDS扫描每个元素的浓度，如图4所示。从图4可以看出，渗碳层中有大量的白色颗粒。从能谱数据可以看出，白色颗粒富含C、V、Cr等元素。通过样品的显微结构和EDS样品表面的渗碳层主要基于能谱数据分析VC等碳化物的形式存在。在真空渗碳热处理过程中，活性碳原子在高温下通过原子扩散到基体表面[12]。

图4SEM及EDS能谱数据

2.2 硬度值梯度

试验钢渗碳前后硬度试验结果如表2所示。渗碳后三种试验钢的硬度大大提高。V量为0、0.2%和0.55%时制备的样品表面硬度值分别约为822.9、1 078、1 215 HV0.2 N，在V含量为0.55%时获得更高表面硬度，说明VC沉淀可以提高样品的表面硬度。此外，合金碳化物会导致晶格畸变和位错，从而加强组织。

表2 试验前后维氏硬度HV )

样品表面的梯度硬度如图5所示。V含量为0、0.2%和0.55555、702的深度分别为555、702和894 μm。3试验钢硬度值的下降趋势基本相同，表面渗碳层硬度值远高于基体硬度值。在相同的渗碳过程中，V含量为0.55%与0.2试样渗碳后表面硬度明显高于不含V因为V原子与C产生原子反应VC或V2C，改变表面结构，提高模具钢的表面硬度。

模具钢材

5 试验钢渗碳后的硬度梯度

2.3 摩擦系数

图6显示了三种试验钢离子渗碳后的摩擦系数曲线。从图6可以看出，样品首先进入磨合期。目前，三种试验钢的摩擦系数增长迅速，波动较大。V含量为0.2%与0.55%时摩擦系数分别稳定0.55和0.4左右，未添加V试验钢摩擦系数更高0.6。这是因为摩擦磨损在开始时首先致密VC化合物层和渗碳层的高硬度抑制了塑性变形[13]。随着摩擦时间的延长，表面化合物层受损，形成高硬度渗碳颗粒、磨损颗粒，减少接触面积，降低摩擦系数[14]。V含量增加，样品表面硬度增加，摩擦系数也有一定程度的提高。

图6 渗碳后摩擦系数

图7显示100 渗碳处理试验钢r /min摩擦磨损表面SEM微观形状7（a）所示为未添加V由于承载能力不足，表面容易形成分层和硬颗粒[15]。在摩擦损伤和塑性变形的相互作用下，摩擦表面环境恶化，磨损量增加。7（b）所示为V含量为0.2在同一

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