Nb-V含量对模具钢微观组织及力学性能的影响
摘要：模具钢材料中，Nb替代V能够影响材料的力学性能和微观组织。本文以Cr8冷作模具钢材料为研究对象，利用实验研究了不同淬火温度后模具钢的微观组织及淬火硬度。结果表明，Nb含量的增加不仅能提高MC共晶碳化物的析出温度和低温淬火硬度，而且能改变MC共晶碳化物类型，有利于促进材料二次硬化硬度的升高。该研究为冷作模具钢材料的成分优化及淬火工艺改善提供了参考。
关键词：模具钢材料，共晶碳化物，铸态组织
Effect of Nb-V content on microstructure of die steel and mechanical properties
Abstract: Die steel, Nb instead of V can influence the mechanical properties and microstructure of materials. In this paper, Cr8 cold working die steel material as the research object, using the different quenching temperature on the microstructure and hardness of mould steel. The results show that, the increase of the content of Nb can improve the MC eutectic carbide precipitation temperature and low temperature quenching hardness, but also can change the MC eutectic carbide type, is conducive to the promotion of material hardening hardness increased two times. This study provides reference for improving the composition optimization and quenching process of cold work die steel material.
Keywords: die steel, eutectic carbide, microstructure
0引言
冷作模具钢材料必须具有相当高的耐磨性、硬度和韧性，才能在工作用承受巨大的摩擦力和压应力。Cr8作为典型的高耐磨性、高韧性模具钢材料应用非常广泛。Nb元素和C具有相当高的亲和力，能够改善金属材料微合金化处理后的硬度[1]。本文利用实验研究不同Nb-V含量对Cr8冷作模具钢材料的力学性能及微观组织的影响，对Nb的微合金化作用研究具有重要意义。
1.实验方法
本实验采用真空感应炉熔炼三种不同含量Nb-V的Cr8模具钢材料试样，编号为试样1~试样3，质量分数如表1所示。模具钢材料的制备工艺为：真空感应炉熔炼25kg铸铁→退火→锻造成直径13mm试样棒→钢材退火。将尺寸为20mm×20mm×20mm的炉前试样作为分析试样，并用4%HNO3-C2H5OH溶液进行腐蚀。金相试样和硬度试样尺寸均为直径13mm×15mm。热处理在箱式电炉中进行，淬火工艺为：820℃预热30min后加热至淬火温度，保温30min，油冷至常温。淬火组织用10%的上述溶液进行腐蚀，淬火温度分别为1000℃、1040℃、1080℃、1100℃、1120℃、1140℃、1160℃、1180℃和1200℃。在硬度测试仪上测定淬火试样硬度。残余奥氏体在XRD测定，碳化物EDS在SEM下分析，基体组织在OM下观察。
表1 Cr8模具钢材料质量分数（%）
试样 Nb V Mo W Cr S P Mn Si C Fe
1 0.00 2.82 1.89 1.03 7.72 0.0025 0.0129 0.033 1.21 1.06 余量
2 0.59 2.21 1.80 0.97 7.80 0.0048 0.0061 0.139 1.11 0.96 余量
3 1.29 1.05 1.96 1.02 7.69 0.0038 0.0158 0.019 1.05 1.02 余量
2.实验结果及分析
2.1冷作模具钢材料的铸态组织分析
实验材料的铸态组织分为两部分，一是位于各晶粒之间的先共晶碳化物和共晶莱氏体，二是初生奥氏体晶粒。如图1所示，为Cr8模具钢材料的铸态组织形貌。由此看出，Nb含量较高的试样3由于边界处的初生奥氏体晶粒极易受到腐蚀，导致了相界比较模糊（图1c）。图1d中的椭圆部分，大量粒状组织存在于初生奥氏体晶粒相界周围，图1d中的圆圈部分发现，这种粒状组织未存在于初生奥氏体心部。如图2所示，为粒状碳化物的SEM照片和EDS分析结果。由此看出，上述存在于初生奥氏体晶粒相界的大量粒状组织为M23C6型碳化物或渗碳体。当试样3的Nb含量增加到1.29%时，对初生奥氏体相界周围的粒状碳化物形成起到了促进作用。在凝固过程中，模具钢材料会发生包共晶反应 碳化物和包晶反应 [2]。在 相表面首先形核的 相会将 相包围，然后同时向 相方向和液相生长，直至全部吞噬，被包围的 相成为了一个初生奥氏体晶粒心部。当新生 相完全包围 相后，包共晶反应和包晶反应就取决于合金元素通过奥氏体包层的长程扩散和碳元素。当相成分由于扩散偏离平衡后，会导致反应后奥氏体心部的碳含量降低，而心部的合金元素要高于外层。文献指出，碳化物MC的析出温度受到Nb的影响会有所提高，而且析出温度随着Nb含量的增加而升高[3]。
图1 Cr8模具钢材料的铸态组织形貌
图2粒状碳化物的SEM照片和EDS分析结果
如图3所示，为不同MC共晶碳化物的EDS谱，其中（a）~（b）分别对应试样1~3。由此看出，MC共晶碳化物的成分随着Nb含量的增加而有所改变。试样1中，以V为主的MC碳化物为主要为MC共晶碳化物，同时还溶解了元素Fe、Cr、Mo和W。试样2中，MC共晶碳化物还是主要以VC为主，但由于材料中熔入了Nb，使得MC共晶碳化物中出现了少量的NbC和（Nb、V）C。试样3中，随着Nb含量的增加，MC共晶碳化物中的VC含量降低，主要以含有少量V元素的NbC为主。
图3不同MC共晶碳化物的EDS谱
2.2淬火性能
如图4所示，为Cr8模具钢材料的淬火硬度-温度变化曲线。由此看出，随着淬火温度的升高，淬火硬度逐渐增大。这是因为，融入奥氏体中的合金元素和碳元素随着奥氏体化温度的增加而升高所致。随着合金元素和碳元素含量的增加，材料的马氏体转变开始温度逐渐降低，同时也增加了淬火后残余奥氏体的含量，因此，当温度超过淬火硬度最大值对应温度后，材料的淬火硬度降低。图4中可知，试样1的淬火硬度最大值对应温度为1100℃，添加了少量Nb后的试样2，曲线发生变化很小。试样3的淬火硬度最大值对应温度更低，而且在温度较低时，淬火硬度比试样1和试样2更高。
如图5所示，为试样2和试样3在经过1080℃和1200℃淬火后的残余奥氏体测定XRD图谱。由此看出，随着淬火温度的升高，含有Nb元素的试样2和试样3的残余奥氏体含量均增加，可见含有Nb的模具钢材料残余奥氏体含量和硬度变化非常吻合。高Nb含量的模具钢材料残余奥氏体在低温淬火时含量较低，而高温淬火时含量较高。文献指出，模具钢材料中碳化物的熔点由低到高的顺序为：M7C3、M6C、MC，在凝固过程中，熔点较高的碳化物优先形成[4]。在Nb含量较高的试样3中，由于以VC为主的MC共晶碳化物减少，使得凝固过程中的M6C更多，而M7C3晚于M6C的形成，使得含量更少。碳化物溶解顺序在淬火升温过程中正好相反。在淬火温度较低时，首先溶解M6C，由于试样3中的Nb含量较高，M7C3碳化物较少，碳化物溶解较少，降低了残余奥氏体含量。在淬火温度较高时，主要溶解的碳化物为M6C，而试样3中的M6C碳化物较多，导致了溶解的碳化物比低温要多，提高了残余奥氏体含量。由此可知，Nb含量对淬火硬度的影响是通过影响不同类型碳化物含量的变化实现的[5]。
图5试样2、3在经过1080℃和1200℃淬火后的残余奥氏体测定XRD图谱
3.结论
Cr8冷作模具钢材料中Nb元素能够提高MC共晶碳化物的析出温度，包晶反应温度、包共晶反应温度以及MC碳化物析出温度随着材料中Nb含量的增加均有所提升。同时，Nb含量的升高能够将MC共晶碳化物由VC为主的类型转变为NbC、（Nb，V）为主的复合类型。材料中Nb替代V能够有效的降低V的含量，提高低温淬火硬度，同时降低硬度峰值所对应的温度和高温淬火硬度，对材料的二次硬化硬度提高非常有利。
参考文献：
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