钒微合金化对5CrNiMo 模具钢组织与性能的影响分析

张玉平，韦光珍，王梦涵

（1.重庆工业职业技术学院,重庆 401120；2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044）

0 引言

模具钢在工业生产中应用广泛，同时也具有重要地位。模具不仅关系到产品成型，也关系到企业生产成本和生产效率。张艳等[1]分析了淬火温度对40Cr13 塑料模具钢耐腐蚀性能的影响规律。黄标彩等[2]研究和探讨了热处理工艺对P20 模具钢组织和性能产生的影响。王志国等[3]研究了模具钢表面激光沉积316 L 不锈钢的组织转变及差异性。邱宇等[4]研究了4Cr5MoSiV1 热作模具钢的热变形行为与热加工图。孙瑞宝[5]分析了预热温度对3Cr2W8VSr 新型压铸模具钢性能产生的具体影响。孙晓明等[6]研究了DEFORM-3D 在整体辗钢车轮预锻模具型腔分析中的应用。张永强等[7]采用数值模拟方法预测了H13 热作模具钢热-机械疲劳损伤和使用寿命。袁昌望等[8]分析了模具及温度对1 500 MPa 级热成形钢组织性能产生的影响。丁向琴和冀世军[9]研究了新型含钛机械模具钢的性能。5CrNiMo 是一种重要的模具钢，但随着市场对模具钢性能要求的提高，现有的5CrNiMo 钢性能难以满足市场要求，尤其是抗热裂性、耐高温磨损性能的不理想，严重阻碍了5CrNiMo 钢的商业化应用。我们都知道，钒是钢中一种有效的合金化元素，有助于改善钢材性能。于淑静和李纪明[10]分析了钒添加量对40Cr 模具钢性能的影响。但是，目前关于5CrNiMo 模具钢中添加钒的研究还鲜有报道。为此，笔者尝试在5CrNiMo 钢中添加不同含量的合金元素钒，研究钒微合金对5CrNiMo 模具钢显微组织、抗热裂性和耐高温磨损性能的影响，为5CrNiMo 模具钢的改性提供新的思路和试验数据。

1 试验材料及方法

采用的试验材料为在5CrNiMo 模具钢中添加不同含量合金元素钒，采用感应熔炼法制备而成的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样，各试样的化学成分如表1 所示。各试样的实验室具体制备工艺流程：第一步，根据模具钢试样化学成分准确配料；第二步，在GW-0.5-250/1J 型中频感应熔炼炉中熔炼模具钢试样，熔炼温度设置到1 655 ℃、熔体覆盖剂型号为C3 型KING CASTER，二次精炼温度设置到1 625 ℃、精炼时间25 min、保护气氛采用氩气；第三步，采用自制金属型模具进行浇注，模具预热温度380 ℃、浇注温度设置到1 610 ℃；第四步，去掉表面氧化皮，获得模具钢试样，试样尺寸为Ø60 mm×200 mm。

表1 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样化学成分Table 1 Chemical compositions of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel specimens %

模具钢试样抗热裂性测试，采用热裂环法，抗热裂性能测试试棒具体尺寸如图1 所示。在试样中部切取磨损试样，其耐高温磨损性能测试采用MMUD-5B 型高温摩擦磨损试验机，磨轮转速500 r/min、无油润滑、磨损时间15 min、对磨材料为试样本体、试验温度500 ℃，记录磨损体积以此表征试样的耐高温磨损性能，并用EVO18 型扫描电镜观察试样的表面磨损形貌。

图1 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样抗热裂性测试试棒尺寸（单位：mm）Fig.1 Dimensional drawing of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel test bar for hot cracking resistance test

采用线切割在试样中部切取金相试样，经过由粗到细的金相砂纸磨制并抛光后，用Koller 试剂（12 mLHNO3+24 mLHF+64 mLH2O）浸蚀15 s 后快速冲洗并吹干，然后置于ZEISS 型金相显微镜和EVO18 型扫描电镜下观察内部显微组织。

2 试验结果及讨论

2.1 抗热裂性能

不同钒含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样抗热裂性能如表2 所示。从表2 可知，钒微合金化有助于减小5CrNiMo 模具钢试样的裂纹长度，提高试样的抗热裂性能。此外，从表2 还可以看出，随钒含量从x=0 逐渐增加到x=0.5%，试样的裂纹长度先减小后增大；当钒含量x=0.3%时，试样的裂纹长度最短（0.03 mm），较不添加钒时，裂纹长度减小3.4 mm；当钒含量进一步增大时，试样的裂纹长度非但没有进一步减小，反而有所增大，当钒含量提高到x=0.5%时，试样裂纹长度增大到1.77 mm，试样抗热裂性能非但没有进一步提高，反而有所降低。

表2 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样抗热裂性能Table 2 Hot cracking resistance of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel samples

2.2 耐高温磨损性能

不同钒含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样耐高温磨损性能如表3所示。从表3 可知，钒微合金化有助于减小5CrNiMo 模具钢试样的磨损体积，提高试样的耐高温磨损性能。此外，从表3 还可以看出，随钒含量从0 逐渐增加到0.5%，试样的磨损体积先减小后增大；当钒含量x=0.3%时，试样的磨损体积最小（19×10−3mm3），较不添加钒时，磨损体积减小16×10−3mm3；当钒含量进一步增大时，试样的磨损体积非但没有进一步减小，反而有所增大，当钒含量提高x=0.5% 时，试样磨损体积增大到29×10−3mm3，试样抗热裂性能非但没有进一步提高，反而有所降低。

表3 模具钢试样耐高温磨损性能Table 3 Wear resistance of die steel specimens at high temperature

图2 是不同钒含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样高温磨损后的表面形貌。从图2 可以看出，当钒含量x=0（不添加钒，图2(a)）时，试样磨损情况最严重，试样表面较多体积较大的凹坑以及较多的粗大磨痕。当钒含量x=0.3%（图2 (d)）时，试样磨损情况最轻微，试样表面未见明显的凹坑，磨痕也较细。此外，从图2 还可以看出，随钒含量逐渐从0 增大到0.5%，试样的磨损情况先减轻后加重。

图2 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样高温磨损形貌Fig.2 Wear morphologies of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

2.3 显微组织

不同钒含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样显微组织金相照片如图3 所示。从图3(a)～(f)的对比可以看出，当试样中不添加合金元素钒（图3(a)，x=0）时，试样内部晶粒较为粗大，组织分布均匀性较差；与不添加合金元素钒相比，当试样中添加合金元素钒后，试样内部晶粒得到细化，组织分布更为均匀。此外，从图3 还可以看出，随试样中合金元素钒含量从x=0 逐渐增加到x=0.5%，试样内部晶粒尺寸表现出先减小后增大的变化趋势。当试样中合金元素钒含量x=0.3%时，试样内部晶粒最细小，组织分布均匀性最好。

图3 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样显微组织金相照片Fig.3 Microstructure metallographic photographs of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

图4 是不同钒含量微合金化的5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样显微组织扫描电镜（SEM）照片。从图4(a)～(f)的对比可以看出，当试样中不添加合金元素钒（图4(a)，x=0）时，试样中除了细小的颗粒状碳化物外，还有粗大的块状碳化物和粗大的骨状碳化物，碳化物分布均匀性较差。与不添加合金元素钒相比，当试样中添加合金元素钒后，试样中未发现粗大的骨状碳化物和大块状碳化物，碳化物更细小，碳化物分布也更为均匀。此外，从图3 还可以看出，随试样中合金元素钒含量从x=0 逐渐增加到x=0.5%，试样中碳化物呈现出先细化后粗化的变化趋势。当试样中合金元素钒含量x=0.3%时，试样内部碳化物最为细小，呈弥散分布。

图4 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样显微组织SEM 照片Fig.4 Microstructure SEM photographs of 5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)die steel at high temperature

由此可以看出，在5CrNiMo 模具钢试样中添加合金元素钒，有助于细化模具钢试样的内部组织，并避免出现粗大的碳化物，提高模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能。这主要是因为在5CrNiMo 模具钢试样中添加合金元素钒后，钒元素与碳元素可以形成稳定性好、熔点很高的碳化物，实现晶粒细化效果，同时也可以促使模具钢试样在高温条件下仍可以保持较为细小的、弥散分布的内部组织，从而可以显著降低模具钢试样的过热敏感性，从而有效提高模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能[9]。但是，当模具钢试样中添加的合金元素钒含量较低时，钒的积极作用难以充分发挥；适当提高模具钢试样中合金元素钒含量有助于模具钢获得较为细小的、均匀分布的内部组织，同时获得弥散分布的、细小颗粒状的、稳定性高和极难熔的碳化物，从而显著提高5CrNiMo 模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能[10]。如果模具钢试样中合金元素钒含量过多，容易引起成分偏析以及碳化物的粗化，使得5CrNiMoV 模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能出现下降[8−10]。

3 结论

1）添加合金元素钒有助于细化5CrNiMoV 模具钢试样的显微组织和碳化钒，提高模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能；随模具钢试样中钒含量从x=0 逐渐增加到x=0.5%，5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样的显微组织和碳化物均先细化后粗化，抗热裂性能和耐高温磨损性能先提高后下降。

2）与不添加钒（x=0）相比，当钒含量x=0.3%时，5CrNiMoVx模具钢试样的裂纹长度减小3.4 mm、磨损体积减小16×10−3mm3，模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能显著提高。

3）为了提高模具钢试样的抗热裂性能和耐高温磨损性能，5CrNiMoVx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)模具钢试样的钒含量优选为x=0.3%。