李 玲, 吴晓春

(1. 上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072;2. 上海大学 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室, 上海 200072)

随着经济的发展,有学者指出“十四五”预计传统模具用户行业(汽车、家电、建材和包装等)会实现“微进”,新兴用户行业(5G、医疗、卫生、健康、养老、环保和航空航天等)将会实现“中进”。因此,国内模具市场规模预计会在“十三五”基础上增加10%～12%,跨上3000亿台阶[1-3]。为适应各行各业对模具材料性能的要求,新型的热作模具钢不断被研发出来,带动国内的模具行业不断发展。从国内早期使用的压铸模具钢3Cr2W8V、5CrNiMo和5CrMnMo[4]到20世纪90年代研发的Y系列模具钢和可提高国产航空航天零件性能的HM-3和HM-1模具钢等[5-7],再到2000年初期刘树勋等[8-9]推出的高Cr、Mo的HDM钢(20Cr10Co10Mo4W2V)。学者们通过合金元素调整开发了各类适应不同工况的模具钢材并进行了细致的研究。上海大学[10-13]对H13钢进行了多方面研究,包括元素、热处理和组织对于模具钢性能的影响,并与宝钢特钢公司联合研制出了新钢种SWPH13,性能与瑞典ASSAB8407钢相当[14]。之后上海大学先进模具材料课题组先后采用提高Si含量降低Cr含量的方案和增加Ni方案,研发出了SDH3钢和SDYZ钢,分别提升了材料的热稳定性能和改善了淬透性有限的问题[15-18]。但目前国产模具钢材料在高端市场方面仍然存在很多不足,主要包括对于模具钢材料的质量掌控、成分均匀性、后续热处理组织等的控制,这往往受限于生产效率和生产成本,甚至设备承受能力,造成了材料质量的波动。

现今国内主要使用的热作模具钢大多为Cr含量较高的Cr5型通用模具钢,但Cr5型模具钢普遍存在热稳定性及热疲劳性能差的缺陷,有学者指出降低Cr含量的同时提高Mo含量可以提高热作模具钢的热强性,以在回火过程析出弥散碳化物,形成弥散强化的效果,提高模具的使用性能[19-21]。在此背景下,为得到一种可应用于对高温强度及硬度持久性要求高的模具钢,本课题组自主研发了Cr3型热作模具钢[22],其Cr含量与H13钢和DIEVRA钢相比大幅降低,具有较高的韧性,适当的硬度。而在实际使用前,还需要进行热处理以调节微观组织,得到性能更加优良的模具钢。过冷奥氏体连续冷却转变曲线和过冷奥氏体等温转变曲线可以很好地帮助研究人员进行热处理工艺的确定,其中不同组织的相转变开始点和结束点、组织的临界转变冷速、转变所需时间都可指导组织控制[23-28]。为使得Cr3钢具有更好的使用性能,本文利用DIL805A型淬火变形膨胀仪对Cr3钢不同冷速和不同温度下过冷奥氏体的相变特征进行研究,得到试验钢的相转变规律,并与成熟钢种DIEVRA钢(4Cr5Mo2V钢)的相变曲线进行对比分析,为优化和调整新钢种研发方向提供依据。

1 试验材料和方法

试验材料为某特钢厂经过中频炉冶炼和电渣重熔精炼、镦粗+变向拔长以及锻后退火等工艺得到的Cr3钢,将成熟钢种4Cr5Mo2V钢(以下简称Cr5钢)作为对比材料,其化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

试验前期利用Jmat pro软件模拟计算Cr3钢的相组分,为达到完全奥氏体化,选取1030 ℃作为奥氏体化温度进行试验[29]。之后利用BAHRDIL805A膨胀仪进行相变试验,膨胀试样尺寸为φ4 mm×10 mm,不存在裂纹等缺陷并保证圆柱两端平行且平整。相变点、CCT曲线和TTT曲线的测定方案如图1所示:①相 变点测定:依据YB/T 5127—2018《钢的临界点测定 膨胀法》,将试样以10 ℃/s加热到600 ℃,然后以0.05 ℃/s的速度继续升温到1030 ℃,保温15 min后快冷(20 ℃/s)至室温;②CCT曲线测定:依据YB/T 5128—2018《钢的连续冷却转变曲线图的测定 膨胀法》,将试样快速(10 ℃/s)加热到奥氏体化温度(1030 ℃),保温15 min后分别以10、1、0.8、0.5、0.3、0.2、0.1、0.04、0.03、0.02、0.01 ℃/s的冷却速率冷却到室温;③TTT曲线测定:依据YB/T 130—1997《钢的等温转变曲线图的测定》,同样将试样快速(10 ℃/s)加热到奥氏体化温度(1030 ℃),保温时间15 min,然后快速(20 ℃/s) 冷到不同的等温温度(从Ms变化到Ac1,每25 ℃设定一个试验温度,对于较关键的温度范围适当缩小温度间隔)。利用拐点切线法和倒数结合获得更准确的不同冷速下的相转变温度。

图1 Cr3钢相变点(a)、CCT曲线(b)和TTT曲线(c)的测试工艺

利用线切割机将经过不同处理的试样对切,一半试样经磨抛和4%硝酸酒精溶液腐蚀后在Zeiss Supra-40型扫描电镜上进行组织观察,另一半试样在MH-3型显微硬度计上测试硬度,加载载荷为0.5 kg,每个冷速测定5个硬度点,取其平均值。通过不同冷速下对应的显微组织变化及硬度,最终绘制Cr3钢的CCT曲线和TTT曲线。

2 试验结果与分析

2.1 Cr3钢连续冷却过程中的相变点温度

相变点测试过程中Cr3钢长度方向的热膨胀量和热膨胀率随温度的变化情况如图2所示。热膨胀量关于温度的导数为热膨胀率。在升温阶段,热膨胀量曲线在775～825 ℃出现了第一个拐点,此时发生体心立方结构的铁素体向面心立方结构的奥氏体转变,所以发生体积收缩,此转变温度为Cr3钢的Ac1点。之后热膨胀量曲线在875～925 ℃出现第二个拐点,此时奥氏体化完成,此转变温度为Cr3钢的Accm点。在冷却过程中,热膨胀曲线在310～340 ℃出现拐点,体积发生膨胀代表组织开始向马氏体转变。以切线法为主,同时以热膨胀率曲线为辅助共同确定Cr3钢的相变点Ms=320 ℃,Ac1=795 ℃和Accm=895 ℃。

图2 Cr3钢的热膨胀曲线

2.2 Cr3钢过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线

图3为Cr3钢不同冷速下的热膨胀量和热膨胀率与温度的关系曲线。可以看出,冷速大于0.80 ℃/s时相变温度为200～350 ℃,且随着冷速的增大,相变温度逐渐下降。当冷速为1 ℃/s时,转变开始温度大约为350 ℃,转变结束温度大约为230 ℃;当冷速为0.80 ℃/s时,转变开始温度大约为373 ℃,转变结束温度大约为270 ℃,此时转变区域内可以发现两个转变峰,可判断为发生了马氏体+贝氏体转变。有学者指出一阶微分曲线即膨胀率曲线峰的积分面积越大,相变的主导地位越显著[30],所以此时贝氏体转变站主导地位。当冷速为0.03～0.10 ℃/s时,相变温度提高到300～467 ℃,判断此时发生贝氏体相变。当冷速降低到0.02 ℃/s时出现珠光体转变,转变温度区间为650～750 ℃,但此时还在400 ℃左右发生贝氏体相变。当冷速为0.01 ℃/s时,仅在650～750 ℃区间出现珠光体组织转变,未出现贝氏体相变。综上可知,Cr3钢马氏体和贝氏体相变的临界冷却速度约为1.00 ℃/s和0.03 ℃/s。从图3(b)还可以看出,随着冷速的增加,发生转变温度区间整体左移,是因为随着冷速的逐渐增大,奥氏体的过冷度也随之增大,使相变开始温度和结束温度逐渐降低[31]。

图3 不同冷速下Cr3钢的热膨胀曲线(a)和膨胀率曲线(b)

因膨胀法测量CCT曲线无法直接观测组织情况,转变量小时膨胀曲线变化微弱,无法准确判断,因此还需结合金相法确定组织类型,提高曲线测定的准确度。图4为不同冷却速率下Cr3钢的显微组织,可见冷速为1.00 ℃/s时组织为马氏体,冷速为0.80 ℃/s时组织为马氏体+贝氏体组织,冷速为0.03 ℃/s时组织为贝氏体,冷速为0.02 ℃/s时出现珠光体组织,这与热膨胀量曲线分析结果一致。同时由各冷速下Cr3钢的硬度测试结果可知,随着冷速的升高,硬度增加。当冷速从0.01 ℃/s升高到0.02 ℃/s时,组织由珠光体转变为珠光体+贝氏体,由于贝氏体比珠光体的硬度高,所以硬度快速上升;冷速在0.02～0.80 ℃/s时,组织为贝氏体,贝氏体的温度区间随冷速增加而变窄;当冷速超过1.00 ℃/s时,相变组织为全马氏体,此阶段随着冷速的增加,硬度也有小幅度的增加。另外冷速越高,组织越细小,也是硬度增加的重要原因。

图4 不同冷速下Cr3钢的显微组织

综合热膨胀量曲线、显微组织和硬度绘制Cr3钢的CCT曲线,如图5所示。可以看出,Cr3钢在连续冷却时,分别在高温区、中温区和低温区出现了由过冷奥氏体向珠光体、贝氏体和马氏体的转变。冷速为0.01 ℃/s时,组织出现珠光体转变。冷速为0.02 ℃/s时,珠光体转变开始温度降低,转变区域变窄,在冷速超过0.02 ℃/s 时,组织未发生珠光体转变。冷速在0.03～0.80 ℃/s范围内,组织发生贝氏体转变,且贝氏体转变终了温度随冷速的升高而升高,贝氏体转变量减少;当冷速升高到1.00 ℃/s时,组织只发生马氏体转变。

图5 Cr3钢的CCT曲线

2.3 Cr3钢过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线)

Cr3钢经奥氏体化后冷却至不同温度进行等温转变后的显微组织如图6和图7所示。由图6可以看出,Cr3钢在650～750 ℃进行等温转变时,由于高温温度区间C原子和Fe原子都可以进行自由扩散,先共析铁素体首先形核并不断长大,C原子此时也进行着由晶界向奥氏体母相扩散的运动。当过冷奥氏体的碳含量到达一定浓度时,渗碳体开始形核并长大,C原子的扩散形成了碳原子浓度差,促进铁素体和渗碳体交替形核长大,从而形成珠光体。在650～675 ℃等温处理时,组织中存在较为明显的未球化区域。当温度升高时,组织中未球化区域大幅减少。在700～725 ℃等温处理时,粒状珠光体组织均匀弥散分布,是比较理想的球化组织。当等温温度进一步升高到750 ℃时,粒状珠光体组织明显粗化,粗大的珠光体组织不利于组织性能调控。

图6 Cr3钢不同温度等温转变后的珠光体组织

图7 Cr3钢不同温度等温转变后的贝氏体组织

由图7可以看出,当等温温度降低到320～400 ℃时,原子的运动能力降低,但相变驱动力增大,奥氏体通过切变方式向铁素体转变,而铁素体与奥氏体存在一定的位向关系,同时碳原子可以在铁素体中进行短程扩散并在一定晶面上偏聚,从而依次形成渗碳体和贝氏体。在320 ℃等温处理时,由于温度降至Ms点,冷速(20 ℃/s)大于临界冷却速度,材料仍然是过冷奥氏体状态,此时过冷奥氏体相变驱动力大于奥氏体向马氏体转变的阻力,部分过冷奥氏体以切变的方式转变为马氏体,部分转变为贝氏体组织,如图7(a)所示,此时组织为马氏体+贝氏体混合组织。在335～400 ℃等温处理时组织为贝氏体,且组织随着等温温度的升高而变得粗大。综上所述,根据Cr3钢不同等温温度下的组织转变类型,650～750 ℃为珠光体转变温度,320～400 ℃为贝氏体转变温度,低于320 ℃为马氏体转变温度。

图8为Cr3钢在不同等温温度下的热膨胀量变化曲线。由图8可知,在不同等温温度下,由于相变引起的体积变化量快速增加,曲线变化较陡,当相转变量逐渐达到100%时,相变引起的体积变化量逐渐趋于零,曲线趋于水平,整体呈现S型,不同温度的膨胀量曲线均有两个平台,分别为转变开始点和转变结束点。根据热膨胀曲线以转变量为1%和99%分别作为相转变的开始时间和终了时间,得出不同温度的相转变开始和终了时间,再结合所测相变临界点Accm、Ac1和Ms绘制Cr3钢的过冷奥氏体等温转变曲线(TTT曲线),如图9所示。由图9可知,Cr3钢的TTT曲线呈“双C型”,贝氏体转变区的温度范围在320～410 ℃,“鼻尖”温度出现在330 ℃左右,珠光体转变区的温度范围在650～750 ℃,“鼻尖”温度出现在715 ℃左右,此时转变开始和结束时间分别为2330 s和17 882 s,可据此制定Cr3钢的球化退火工艺[12]。一般的两段式球化退火工艺而言,一段球化退火温度为Ac1～(Ac1+20～50 ℃),二段球化退火温度为“鼻尖”温度±10 ℃,保温到珠光体转变完全,即高于转变结束所需时间。因此,制定Cr3钢的球化退火工艺为800～840 ℃×2～4 h+720 ℃×5～8 h。采用该工艺进行球化退火试验可获得良好的球化组织,如图10所示。与原始组织相比,该球化退火工艺下Cr3钢中的碳化物圆整度高,均匀度好,弥散度高,可为后续处理获得较高性能打下良好的组织基础。

图8 Cr3钢不同温度等温转变的热膨胀量曲线

图9 Cr3钢的TTT曲线

2.4 与Cr5钢对比分析

图11为曾艳[32]测定的Cr5钢CCT曲线和TTT曲线。将图11(a)与图5对比可以看出,所测冷速范围区间内Cr5钢未发生珠光体转变,只有马氏体和贝氏体转变,而Cr3钢CCT曲线中包含3种转变,与Cr5钢相比,Cr3钢的CCT曲线整体左移。珠光体属于扩散型转变,其转变过程伴随着渗碳体和铁素体的再分配,也会受到合金扩散系数的影响,而合金元素的扩散速率小于C的扩散速率[33],且Cr元素会增加过冷奥氏体的稳定性,降低C的扩散速度,Cr含量的升高会对溶质产生拖拽作用[34],降低Cr含量则使得拖拽作用减弱,促进珠光体的形成。有学者研究发现,在65Mn钢中添加的Cr可以降低奥氏体中碳的扩散速度,起到阻止渗碳体生成的作用,推迟珠光体的转变,提高了奥氏体的稳定性,使钢淬火临界冷速降低,淬透性得到提高[35],这与本文所得结论一致。另外,降低Cr含量使得贝氏体相区增大,Cr5钢和Cr3钢获得全马氏体的冷速分别为0.30 ℃/s和1.00 ℃/s,Cr3钢的淬透性低于Cr5钢。

图11 Cr5钢的CCT曲线和TTT曲线[32]

将图11(b)与图9对比可以看出,Cr5钢在320～390 ℃等温淬火时发生贝氏体转变,“鼻尖”温度出现在350 ℃附近,在695～790 ℃等温淬火发生珠光体转变,“鼻尖”温度出现在725 ℃附近。与Cr5钢相比,Cr3钢的贝氏体相区孕育期时间和完全转变时间均减少,Cr元素减少奥氏体与铁素体的自由能差,减少了相变的驱动力,降低了γ→α的转变温度,对贝氏体转变有较大的推迟作用[36]。Cr元素还会减缓C的扩散,从而推迟贝氏体转变的发生。导致Cr3钢的贝氏体相区较Cr5钢整体左移。综上与Cr5钢对比,Cr3钢的淬透性降低,在实际生产过程中需注意钢锭厚度,建议先进行模拟计算得出极限厚度,再进行实际生产。

3 结论

1) 在1030 ℃奥氏体化时,Cr3钢的Ms=320 ℃,Ac1=795 ℃,Accm=895 ℃。当Cr3钢以不同速度连续冷却时,分别出现了过冷奥氏体向珠光体、贝氏体和马氏体转变。Cr3钢的马氏体临界冷速是1.00 ℃/s,贝氏体转变临界冷速为0.03 ℃/s。

2) Cr3钢的贝氏体等温转变区的温度范围为320～400 ℃,珠光体等温转变区的温度范围在650～750 ℃,“鼻尖”温度出现在715 ℃左右。

3) 与Cr5钢相比,Cr3钢的CCT曲线整体左移并出现珠光体转变区,马氏体临界冷速高,淬透性降低,而TTT曲线的贝氏体转变区整体左移。