碳含量对Cr-Mo-V模具钢热稳定性的影响

通用热作模具钢如4Cr5MoSiV1（H13）钢和4Cr5Mo2V钢等采用Cr-Mo-V本系合金理念具有优异的热稳定性、热疲劳性和强韧性，能满足市场上压铸模具、锻造模具和挤压模具的性能要求，但由于冲压市场硬度低、不耐磨、过早磨损失效，迫切需要开发新的通用热作模具钢。目前，新钢种的发展是通过改变钢中碳和合金元素的比例来满足所需的性能要求。目前，新钢种的发展是通过改变钢中碳和合金元素的比例来满足所需的性能要求。目前，新钢种的发展是通过改变钢中碳和合金元素的比例来满足所需的性能要求。碳在钢中的作用分为以下几点：①提高钢的硬度和耐磨性；②降低钢的韧性和热疲劳性能；③提高钢的抗拉强度；④提高钢的回火脆性敏感性。碳含量对硬度、耐磨性和抗拉性的影响通常受到重视，对热稳定性的研究较少。目前，在相同的热处理条件下，通过比较不同碳含量的钢对热稳定性的影响。试验材料及方法1试验所采用的材料为5Cr5Mo2V钢和4Cr5Mo2V钢，两种材料均采用电渣重熔、高温扩散处理、多向锻造等工艺，如表1所示。分别在5Cr5Mo2V钢和4Cr5Mo2V钢上切12个样品，样品尺寸20个mm×20mm×20mm，所有样品10600次℃奥氏体化30min后油冷，再经530~540℃回火2h，回火次数为2次，将4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢硬度分别调整为52.5~53.5HRC和56.0~57.0HRC。试验温度选择580℃和650℃，2、4、6、8、10、12、14、16、20h，测量不同保温时间后样品的硬度，绘制曲线ZeissSupra40型扫描电子显微镜观察不同时间样品的显微组织结构，并通过OXFORD分析碳化物的能谱仪。此外利用Jmat-Pro碳化物在热力计算软件模拟材料保温过程中的变化。测试结果及分析2

01

Jmat-Pro模拟结果

（a）4Cr5Mo2V 

（b）5Cr5Mo2V

图1 材料在580 ℃化学成分含量低

（a）4Cr5Mo2V 

（b）5Cr5Mo2V

图2 材料在650 ℃化学成分含量低通过Jmat-Pro软件模拟不同回火温度的碳化物类型和数量，图1所示为580℃下4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V如图2所示，钢的碳化物类型和数量为650℃下4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V通过模拟可以知道钢的碳化物类型和数量。580钢有两种℃和650℃下碳化物的类型没有改变，沉淀的碳化物是M3C、M2（C，N）、M23C6以及少量的M7C3和M（C，N）钢。在580℃和650℃5.Cr5Mo2V钢的碳化物数量均比4Cr5Mo2V钢多。在580℃保温初期，两种钢主要分析M3C随着保温时间的增加，型碳化物为5Cr5Mo2V钢的M3C减少型碳化物的速度大于4Cr5Mo2V钢，同时M2（C，N）及M7C3型碳化物逐渐增多，增加到更大值后开始减少，逐渐转化为稳定M23C6和M（C，N）碳化物。经过30h保温后，4Cr5Mo2V钢含有6.8%的M23C6和0.8%的M（C，N）型碳化物，5Cr5Mo2V钢含有8.5%的M23C6和1.0%的M（C，N）型碳化物。同时，随着回火温度的升高，在650℃碳化物在保温过程中的转

化速度比600℃时更快，4Cr5Mo2V钢经过650℃长期保温后，M6C与580相比，碳化物的数量是580℃增加。同时，随着回火温度的升高，在650℃碳化物在保温过程中的转化速度比600℃时更快，4Cr5Mo2V钢经过650℃长期保温后，M6C与580相比，碳化物的数量是580℃增加。

02

时间-硬度曲线

图3分别显示图4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢在580℃和650℃热稳定曲线保温。由图3可知，4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢在580℃保温4h之后硬度急剧下降，4Cr5Mo2V钢的硬度降至47.3HRC，5Cr5Mo2V钢的硬度降至47.7HRC，然后硬度下降趋于温和，保温24h后，4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢的硬度分别降至39.0HRC和39.7HRC。从图4可以看出，650℃保温2h后，4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢的硬度分别下降了13.5HRC和14.8HRC，经过4h绝缘后，硬度下降趋势减慢，更终通过24h保温后，4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢的硬度分别降至26.7HRC和28.6HRC。4Cr5Mo2V钢具有更好的热稳定性。

图3 在580 ℃下绝缘硬度-时间曲线

图4 在650 ℃下绝缘硬度-时间曲线

从以上比较可以看出，580℃和650℃长时间保温2个温度，4个Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢的硬度随保温时间的增加而下降，温度越高，硬度下降越快。但在20世纪580年代，不同的保温温度硬度下降趋势不同℃保温时，经历初期4h硬度急剧下降后，硬度下降速度减慢，但仍保持稳定下降，而650℃保温时，保温时间超过6h之后硬度下降速度趋于平缓，硬度下降不明显。

03

微组织表征及分析

随着热稳定时间的延长，马氏体从基体中回复并沉淀大量碳化物。同时，碳化物聚集生长。长期回火保温促进了固溶于基体的合金元素的脱溶和碳化物的沉淀。选择4来分析碳元素在

保温过程中对组织的影响Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢在580℃和650℃下保温2、12、24h微组织研究样品。

（a）4Cr5Mo2V 

（b）5Cr5Mo2V

图5 两种钢回火组织形式

图6 580 ℃不同的保温时间组织形状

图7 650 ℃不同的绝缘时间组织形状图5显示了两种钢回火组织的照片，两种钢淬火组织相对均匀，均为回火马氏体组织和少量小碳化物。图6和图7分别为4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢在580℃和650℃下保温2、12、24h微组织形状，对5Cr5Mo2V钢在650℃保温2h后碳化物EDS(能谱仪)分析。在580℃保温2h之后，两种钢的组织形态没有明显变化，650℃保温2h随后，马氏体组织得到了明显的回应，位错被消除或消失，同时5Cr5Mo2V可以看出，大量球状碳化物颗粒的沉淀主要含有能谱分析(见图8)Cr推测碳化物是M23C6型碳化物。580℃保温12h马氏体明显回复后，马氏体板条模糊，碳化物粗化，5Cr5Mo2V钢的回复程度大于4Cr5Mo2V碳化物分布在基体上。580℃保温12h之后马氏体明显回复，马氏体板条模糊，碳化物粗化，5Cr5Mo2V钢的回复程度大于4Cr5Mo2V碳化物分布在基体上。EDS可见分析(见图9)Cr5Mo2V钢中的小球状碳化物是V系碳化物。650℃保温12h后来两种钢看不到马氏体形状，5Cr5Mo2V钢沉淀大量碳化物。4Cr5Mo2V钢和5Cr5Mo2V钢在580℃保温24h随后，马氏体的回复进一步严重，5Cr5Mo2V钢碳化物主要由小条状和聚集的碳化物组成。2种钢在650℃保温24h之后，组织形状与退火组织相似，没有马氏体形状，只有颗粒状碳化物，5Cr5Mo2V由于5Cr5Mo2V钢产生更多的数量Cr碳化物是一种热稳定性差的碳化物。长期高温保温后，碳化物粗化，二相强化减弱。此外，碳化物的生长会导致基体中合金元素的贫化，降低其固溶强化作用，降低高温强度，促进马氏体回复，表现出较差的热稳定性。