基于JmatPro的热锻模具钢55NiCrMoV7热物理性能预测

尹 慧，翟瑞志，滕树满

（1.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川德阳 618000；2.广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州 545000）

1 引言

热锻模是制造业的基础装备，提升热锻模性能与服役寿命对国家制造业整体水平的提升意义重大[1]。热锻模恶劣的服役环境对模具制造材料提出了高要求[2]。由于具有良好的高温力学性能，55NiCrMoV7钢被广泛应用于热锻模的制造。近年来，学者对该钢种的性能及制造工艺进行了一定研究并获得了一定成果：如张占平等研究了回火温度与时间对该模具钢组织及硬度的关系[3]；武川德等研究了该模具钢的热变形行为及流动应力模型，为塑性成形工艺优化提供指导[4]。然而，受限于真实实验成本较高等因素，55NiCrMoV7模具钢的热物理性能参数数据库仍不丰富，阻碍了其热加工工艺的深入研究与优化。而应用材料热力学计算软件JMatPro可实现该钢种的热物理性能参数计算预测，丰富材料热物理性能数据库，为热锻模的成形及热处理工艺优化提供基础性指导。本文基于热力学软件JMatPro7.0通用钢模块软件对热锻模用钢55NiCrMoV7的平衡相图及热物理性能参数进行了预测，获得了该钢种在不同温度下的密度、比热容、热导率、线膨胀系数、泊松比，杨氏模量等参数，为模具的塑性成形及热处理工艺优化提供基础材料参数。

2 55NiCrMoV7钢成分及平衡相计算

55NiCrMoV7钢成分如表1所示[5]。将化学成分输入JmatPro7.0软件将根据热力学原理算计算自动绘制钢的从室温至1,600℃平衡相图，如图1、图2所示。根据55NiCrMoV7 钢的平衡相图可知，相图共有10 个相区，主要为液相区、奥氏体区和铁素体区。55NiCrMoV7钢的奥氏体化临界温度Ac1=728.32℃，Ac3=778.53℃。当加热温度达到1482.81℃时模具钢完全熔化至液态，即液相线温度;由液相线温度降至1400.00℃时，55NiCrMoV7 钢发生完全固液相变转变为单相奥氏体。当温度高于737.67℃模具钢中的渗碳体完全溶解。

图1 55NiCrMoV7钢在0~1,500℃平衡相图平衡相图

图2 55NiCrMoV7钢在中低温下的平衡相图

表1 55NiCrMoV7钢的化学成分 %

为了研究该合金在室温下的相组成，将图1 的平衡相图左下角进行局部放大，得到如图2 所示的55NiCrMoV7 钢在室温下的平衡相图。据此可得，该合金在室温下的相组成及组成含量分别为：铁素体91.12%、渗 碳 体5.53%、M2（C,N）相1.9%、M7C3相1.06%、M（C,N）相0.34%、M2P相0.0316%。

3 55NiCrMoV7模具钢热物理性能计算与分析

材料在不同温度下的热物理性能是重要的基础参数。本节利用JmatPro 软件计算了经750℃退火后55NiCrMoV7 模具钢的热物理性能与温度的变化关系，如图3、图4、图5、图6所示。

图3 密度随温度变化关系图

图4 比热容随温度变化关系图

图5 杨氏模量随温度变化关系图

图6 泊松比随温度变化关系图

根据热力学计算结果，55NiCrMoV7 模具钢的密度和杨氏模量与温度呈负相关关系，在室温时分别达到最大值8.0g/cm3与203.23GPa，而当钢熔化后两数值均显著降低。而55NiCrMoV7模具钢的热导率与泊松比与温度均呈现正相关的趋势，在室温时两物理量均有极小值，分别为19.76W/（m·K）与0.291。由于在617.36℃～782.31℃范围内模具钢中铁素体发生较大程度的相变转变为奥氏体，相变导致材料的热物理属性产生显著变化曲线产生了波动。

4 55NiCrMoV7模具钢的TTA/CCT曲线热力学计算及分析

TTA 图是材料在连续加热过程中奥氏体形成的动力学图，该图描述了钢在加热至奥氏体过程中，加热速度、温度与奥氏体化程度之间的关系，对热锻模的加热工艺调控有较大指导意义。55NiCrMoV7模具钢的TTA图由软件计算并自动绘制，如图7所示。根据TTA 图可以总结出，提高55NiCrMoV7 模具钢的升温速度，Ac1、Ac3和奥氏体均匀化温度均不断地升高，且提高升温速度可加速55NiCrMoV7模具钢碳元素的扩散，加快奥氏体均匀化过程。

图7 55NiCrMoV7模具钢TTA图

使用JMatPro 软件计算得到如图8 所示的55NiCrMoV7 模具钢的CCT 曲线，该曲线对热锻模锻后热处理工艺具有重要的指导意义。根据模具钢CCT 图可以看出，马氏体开始转变温度（Ms）为275.5℃，转变至50%马氏体和90%马氏体时温度分别为236.86℃和158.6℃; 贝氏体（B）转变温度为542.7℃；珠光体（P）转变温度为726.4℃。

图8 55NiCrMoV7模具钢的CCT曲线

此外，还模拟了使用JMatPro 软件计算了的55NiCrMoV7 模具钢在不同冷却速率下的组织组成，如表2所示，为热锻模热处理后的显微组织与力学性能调控提供指导。在冷却速度较低时，55NiCrMoV7模具钢的微观组织主要为珠光体（P）组织，并伴有少量铁素体（F）。持续增大冷却速度将降低模具钢在高温转变区的停留时间，抑制铁素体（F）与珠光体（P）组织的形核与长大，这促进了高温奥氏体组织（A）向贝氏体组织（B）转变。持续增加冷却速率至2℃/s时，马氏体组织（M）与残余奥氏体（A）开始出现，这为模具钢马氏体形核条件的研究提供了基础。在冷速大于10℃/s 时，55NiCrMoV7 模具钢室温组织不含铁素体（F）与珠光体（P）组织，贝氏体（B）组织的含量随冷却速度的持续升高不断降低，微观组织主要为马氏体（M），这将显著提升材料的硬度。

表2 不同冷却速率下55NiCrMoV7模具钢各相含量

5 结论

本文基于软件JmatPro7.0 对55NiCrMoV7 模具钢的热物理性能进行了热力学计算与分析，获得了该钢种的平衡相图，TTA/CCT 曲线等基础材料参数，以期为热锻模的热加工工艺提供指导，结果如下：

（1）55NiCrMoV7 模具钢室温时平衡组织及含量分别为：铁素体91.12%、渗碳体5.53%、M2（C,N）相1.9% 、M7C3相1.06% 、M（C,N）相0.34% 、M2P 相0.0316%。

（2）55NiCrMoV7模具钢的热物理性质参数中，密度与杨氏模量与温度呈现负相关趋势，而比热容与泊松比随温度呈正相关趋势。

（3）根据55NiCrMoV7 模具钢的CCT 相图计算，冷却速度大于2℃/S 时有马氏体相析出，马氏体开始转变温度（Ms）为275.5℃，转变至50%马氏体和90%马氏体时温度分别为236.86℃和158.6℃；贝氏体（B）转变温度为542.7℃；珠光体（P）转变温度为

726.4℃。