Ti的添加对Cr12MoV钢力学性能的影响

伏思静，王 静，李远辉，曾 明

(1.成都工业学院机械工程学院， 四川 成都 611730； 2.成都工业学院材料工程学院， 四川 成都 611730； 3.西华大学材料科学与工程学院， 四川 成都 610039 )

Cr12MoV钢具有较高的耐磨性、淬透性、淬硬性以及热处理变形小等优点，被广泛应用于制造冷作模具，由于其含碳量和含铬量高，在铸态凝固组织中存在大量的网状共晶碳化物，且分布不均匀，偏析严重，影响Cr12MoV钢的力学性能和模具的使用寿命[1-8]。为改善Cr12MoV钢的力学性能，提高模具的使用寿命，常采用的工艺是锻造处理，使粗大的网状共晶碳化物呈细小、均匀分布。本研究通过在Cr12MoV钢中加入Ti,改善Cr12MoV钢铸态组织中碳化物分布、形态，提高Cr12MoV钢铸态的力学性能，使之接近锻态的力学性能。

1 试验材料及方法

试验原材料： Cr12MoV模具钢，其化学成分见表1；Fe-28%Ti的钛铁。

试样制备：采用ZGJL-0.025-50-2.5型真空感应电炉熔炼，真空度1×10-1Pa，熔炼温度1 650 ℃、保温15 min后将钢水浇注到铸型中，随炉冷却。制备出含钛量分别为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%(质量分数)的试样。按照GB/T 228.1-2010制备拉伸试样(圆形横截面)，GB/T 229-2007制备冲击试样。

力学性能测试：采用 CMT-6104型电子万能试验机测量抗拉强度，采用JB30A型摆锤式冲击试验机测量冲击韧性，采用200HRS-150洛氏硬度计测量硬度，采用金刚石(锥形)压头，总试验力1 470 N，保压时间5 s，取5个点的平均值。

微观组织测试：采用OLYMPUS金相显微镜和S3400N型扫描电子显微镜和能谱议(加速电压2～30 kV，放大倍数20～200 000) 观察组织、分析微区成分。

表1 Cr12MoV模具钢的化学成分(质量分数/%)

2 结果与讨论

Ti的含量对Cr12MoV钢抗拉强度的影响如图1所示。可以看到，随着Ti含量的增加，Cr12MoV钢的抗拉强度并没有明显地呈线性增高，当Ti含量达到最高时，抗拉强度达到630 MPa左右。

图1 Ti的含量对Cr12MoV钢抗拉强度的影响

Ti的含量对Cr12MoV钢冲击韧性的影响如图2所示。可以看到：未添加Ti的Cr12MoV模具钢经过真空熔炼后，其冲击韧性值很低，平均值为4.0 J/cm2；随着Ti含量的增大，Cr12MoV模具钢冲击韧性值有一定幅度的提高，当Ti的含量为0.5%时，冲击韧性值达到11.3 J/cm2，是未添加Ti时的2.8倍。由此可以看出，Ti的加入有利于Cr12MoV钢冲击韧性值的提高。

图2 Ti的含量对Cr12MoV钢冲击韧性的影响

Ti的含量对Cr12MoV钢硬度的影响如图3所示。可以看到，随着Ti含量的增加，Cr12MoV模具钢的洛氏硬度(HRC)提高，但提高的幅度很小。

图3 Ti的含量对Cr12MoV钢硬度的影响

不同Ti含量的试样金相组织如图4所示。可以看到，试样的铸态组织中存在网状相。据资料[9-10]介绍，这样的网状相是沿奥氏体晶界分布的共晶莱氏体中的Cr-C化合物。比较不同Ti含量试样的组织形貌，可以看出，Cr-C化合物的网状形貌确实受到了Ti含量的影响。未加入Ti，试样中网状相的连续性特征很明显,如图4(a)所示。而随着Ti的加入且其含量的增高，网状相的连续性有了明显的改变。加入0.1%的Ti后，其组织中可以看出网状的碳化物开始有了断开的部分，如图4(b)所示。随着Ti含量的增加，不仅有Cr-C化合物的明显断开现象，在断开的附近还有了一定数量的颗粒状物, 如图4(c)- (f)所示。

(a) 0；(b) 0.1%；(c) 0.2%；(d) 0.3%；(e) 0.4%；(f) 0.5%

图5所示为含0.2%Ti试样的SEM形貌。选了一处存在于没有完全断开的Cr-C化合物网中如图所示的颗粒相A和B，进行微区成分分析。分析结果如表2所示。

图5 0.2%Ti试样的SEM形貌

表2 图5中的微区成分

从表2中可以看到，A点的Ti和C的原子百分比都很接近50%，可以判断A点相是TiC。

图6所示为含0.5%Ti试样的SEM形貌。可以看到，典型的Cr-C化合物网已完全断开。在没有Cr-C化合物的“空白处”，都存在一定量的颗粒物。在其中选择了4个颗粒物进行微区成分分析，结果如表3所示。

图6 0.5%Ti试样的SEM形貌

从表3中数据可以看到，标记为A的颗粒物及其附近的C和Ti的原子百分比数值都很高，而V、Cr、Fe、Mo的原子百分比数值都很低。按照前面的分析，可以认定标记为A的颗粒物是TiC。

标记为B的颗粒物及其附近的C和Ti的原子百分比数值也很高，Cr和Fe的原子百分比数值都很低，V和Mo没有检测到说明其量更低。这说明，标记为B的颗粒物也可以认定为TiC相。

表3 图6中的微区成分

标记为C的颗粒物及其附近的C和Ti的原子百分比数值也很高，V和Cr的原子百分比数值很低，而Fe的原子百分比数值较高。由此可以认为标记为C的颗粒物是TiC，但其尺寸较小致使较多的Fe被检测到了。

综上所述，无论是在Ti含量较低的试样中还是在Ti含量最高的试样中，Cr-C化合物网断开处及其附近都存在TiC，说明Cr-C化合物网的断开与TiC的生成有关，也就是Ti优先占用了一部分C而减少了Cr-C化合物的量。

影响Cr12MoV钢的抗拉强度、硬度的主要因素是钢中的含碳量。而钢中合金元素对抗拉强度、硬度的影响，可以把总的合金元素含量折算为碳当量。在本研究中，Ti的加入量最高为0.5%，含量低，因此Ti的加入对Cr12MoV钢的抗拉强度、硬度的提高不大。

Cr12MoV钢的韧性差，一个主要的原因是粗大碳化物的析出偏聚，Ti的加入一方面使典型的Cr-C化合物网断开，另一方面Ti与C形成细小的TiC，两方面改善了Cr12MoV钢中碳化物的分布以及碳化物颗粒大小，导致Cr12MoV钢的冲击韧性大大提高。

3 结论

1)Ti的加入改善了Cr12MoV钢中粗大的网状Cr-C碳化物的形貌，随着Ti含量的增加，Cr12MoV钢中共晶碳化物有明显的断开现象，在断开的附近还出现了一定数量的TiC颗粒。

2)Ti的加入改善了Cr12MoV钢的冲击韧性、抗拉强度和硬度。随着Ti含量的增加，Cr12MoV钢的抗拉强度和硬度有一定程度的提高，冲击韧性显著升高。当Ti含量为0.5%，冲击韧性达到11.3 J/cm2,是未加Ti的2.8倍。