在不同溫度（1120，1170，1220，1270 ℃）和不同保溫時(shí)間（5，10 h）下對(duì)電弧冶煉+電渣重熔制備的4Cr5Mo2V熱作模具鋼進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火處理，研究了退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)鋼中液析碳化物溶解行為和晶粒度的影響。結(jié)果表明：高溫?cái)U(kuò)散退火可有效消除4Cr5Mo2V鋼中的長條形、魚骨狀、近球形和不規(guī)則塊狀富鉬型和富釩型液析碳化物；1220 ℃保溫10 h退火后富鉬型液析碳化物完全溶解，而富釩型液析碳化物在1270 ℃保溫10 h才能基本溶解，這一差異源于元素釩與碳的強(qiáng)結(jié)合能及富釩型碳化物的高熔點(diǎn)和高熱穩(wěn)定性。建立了4Cr5Mo2V鋼在高溫?cái)U(kuò)散退火過程中晶粒長大的數(shù)學(xué)模型，模型顯示晶粒尺寸隨高溫?cái)U(kuò)散退火溫度升高呈指數(shù)增長，隨保溫時(shí)間延長呈冪函數(shù)增長，溫度是主導(dǎo)晶粒粗化的關(guān)鍵參數(shù)。綜合考慮液析碳化物消除效果和組織不出現(xiàn)晶界過熱這兩個(gè)因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝為1270 ℃保溫10 h。
論文標(biāo)題：
高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)4Cr5Mo2V熱作模具鋼液析碳化物溶解行為和晶粒度的影響
01研究背景
隨著工業(yè)制造領(lǐng)域零部件向大型化與結(jié)構(gòu)復(fù)雜化演進(jìn)，壓鑄模具必然朝著大型化、精密化及復(fù)雜化方向發(fā)展，所用熱作模具鋼的截面尺寸會(huì)越來越大，組織和性能要求也會(huì)越來越高。
熱作模具鋼屬于中碳中合金鋼，通過鉻、鉬、釩、鎢和錳等合金元素的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)綜合性能的提升。在電渣重熔過程中，隨著凝固過程的進(jìn)行，這些元素會(huì)在凝固前沿的金屬溶液中聚集，當(dāng)濃度達(dá)到液析碳化物的形成條件時(shí)就會(huì)從鋼液中析出碳化物，即便采用降低電源頻率或提高凝固速率的電渣重熔冶金工藝，也不能避免液析碳化物的析出；合金元素含量會(huì)影響液析碳化物的形貌。
液析碳化物的形成溫度較高，尺寸較大（一般大于1 μm），硬度較高（1500～2000 HV），會(huì)割裂基體的連續(xù)性，導(dǎo)致模具在服役過程中于液析碳化物處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低鋼的強(qiáng)度、疲勞性能和橫向沖擊韌性，大幅縮短服役壽命。
液析碳化物具有高熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，電渣重熔后進(jìn)行的常規(guī)溫度的熱處理非但不能消除液析碳化物，反而會(huì)使其在后續(xù)鍛造后呈鏈狀分布而成為裂紋源。研究發(fā)現(xiàn)，高溫?cái)U(kuò)散退火是目前消除液析碳化物不利影響的最經(jīng)濟(jì)有效的方法，具有不改變鋼的合金成分、不影響生產(chǎn)工序等特點(diǎn)；但高溫?cái)U(kuò)散退火過程中液析碳化物的分解較為復(fù)雜。由于高溫?cái)U(kuò)散退火的加熱溫度很高，奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生粗化，甚至晶界會(huì)出現(xiàn)過熱或過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼的塑性和延展性嚴(yán)重降低，因此選擇合適的高溫?cái)U(kuò)散退火溫度成為關(guān)鍵。
作者所在團(tuán)隊(duì)研究了高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)4Cr5Mo2V 熱作模具鋼枝晶偏析、元素分布和組織性能的影響，證實(shí)了高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)于消除液析碳化物不利影響的可行性。
目前，鮮見有關(guān)高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)熱作模具鋼中不同類型液析碳化物溶解行為和晶粒度影響的研究報(bào)道。因此，作者在不同溫度和不同保溫時(shí)間下對(duì)電弧冶煉+電渣重熔制備的4Cr5Mo2V熱作模具鋼進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火處理，研究了不同工藝退火前后液析碳化物的類型和含量，建立高溫?cái)U(kuò)散退火過程的晶粒長大動(dòng)力學(xué)模型，揭示高溫?cái)U(kuò)散退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)晶粒度的影響，以期為4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工程應(yīng)用提供理論支撐和有效指導(dǎo)。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了試驗(yàn)材料、高溫?cái)U(kuò)散退火工藝設(shè)計(jì)、防氧化措施、碳化物分析方法和晶粒度測(cè)量方法。具體包括：采用4Cr5Mo2V電渣錠作為試驗(yàn)材料，通過熱力學(xué)模擬確定碳化物溶解溫度并設(shè)定1120~1270 ℃的退火溫度及5~10 h的保溫時(shí)間；使用真空封管防止氧化；通過XRD分析碳化物相組成，利用OM、SEM和EDS觀察組織及成分；采用三圓截點(diǎn)法和圖像處理軟件測(cè)量晶粒度。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)研究了高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物溶解行為及晶粒度的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液析碳化物分為富鉬型（主要為MoC，呈長條或魚骨狀）和富釩型（主要為VC，呈不規(guī)則塊狀或近球形）。
高溫?cái)U(kuò)散退火過程中，富鉬型碳化物在1170 ℃開始顯著溶解，而富釩型碳化物穩(wěn)定性更高，需超過1220 ℃才能有效溶解。溫度對(duì)碳化物溶解的影響大于保溫時(shí)間。同時(shí)，隨著退火溫度升高和保溫時(shí)間延長，晶粒明顯長大，晶界釘扎效應(yīng)減弱。
通過Arrhenius模型建立了晶粒長大數(shù)學(xué)模型，表明晶粒尺寸隨溫度指數(shù)增長、隨時(shí)間冪函數(shù)增長。最佳工藝為1270 ℃保溫10 h，可在有效溶解碳化物的同時(shí)避免晶界過熱。
高溫?cái)U(kuò)散退火前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的微觀形貌和元素面掃描結(jié)果
不同工藝高溫?cái)U(kuò)散退火后4Cr5Mo2V鋼的晶粒形貌
03結(jié) 論
（1）4Cr5Mo2V鋼電渣錠中存在長條形、魚骨狀、近球形和不規(guī)則塊狀富鉬型和富釩型液析碳化物，高溫?cái)U(kuò)散退火可有效消除這些液析碳化物，但富鉬型與富釩型液析碳化物的分解行為存在顯著差異。1220 ℃保溫10 h高溫?cái)U(kuò)散退火后富鉬型液析碳化物完全溶解，而富釩型液析碳化物在1270 ℃保溫10 h才能基本溶解，這一差異源于元素釩與碳的強(qiáng)結(jié)合能及富釩型碳化物的高熔點(diǎn)和高熱穩(wěn)定性。
（2）建立了4Cr5Mo2V鋼在高溫?cái)U(kuò)散退火過程中晶粒長大的數(shù)學(xué)模型，晶粒尺寸隨高溫?cái)U(kuò)散退火溫度升高呈指數(shù)增長，隨保溫時(shí)間延長呈冪函數(shù)增長，溫度主導(dǎo)晶粒粗化，這與碳化物溶解導(dǎo)致的晶界釘扎效應(yīng)減弱密切相關(guān)。
（3）高溫?cái)U(kuò)散退火溫度和保溫時(shí)間的選擇取決于富釩型液析碳化物的溶解溫度，綜合考慮液析碳化物消除效果和組織不出現(xiàn)晶界過熱這兩個(gè)因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝為1270 ℃保溫10 h。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
