分享：高溫?cái)U(kuò)散退火對(duì)熱作模具鋼碳化物溶解行為和晶粒度的影響

0.   引　言

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[1-2]，所用熱作模具鋼的截面尺寸會(huì)越來(lái)越大，組織和性能要求也會(huì)越來(lái)越高[3-4]。熱作模具鋼屬于中碳中合金鋼，通過(guò)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(guò)程中，隨著凝固過(guò)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[5]或提高凝固速率[6]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[7-8]。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（1 500～2 000 HV），會(huì)割裂基體的連續(xù)性，導(dǎo)致模具在服役過(guò)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[9-11]。 

液析碳化物具有高熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[10, 12]，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[12-15]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(guò)程中液析碳化物的分解較為復(fù)雜[16-18]。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(guò)熱或過(guò)燒現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼的塑性和延展性嚴(yán)重降低[19]，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)[20-21]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(jiàn)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(guò)程的晶粒長(zhǎng)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)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為4Cr5Mo2V熱作模具鋼電渣錠，直徑為700 mm，高度為300 mm，由國(guó)內(nèi)某特鋼廠采用電弧冶煉+電渣重熔制備而成，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.42C，4.79Cr，2.37Mo，0.29Si，0.67V，0.40Mn，<0.003S，<0.003P，余Fe。在電渣錠的縱截面上截取厚度為40 mm的試樣，對(duì)其進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。為確定高溫?cái)U(kuò)散退火工藝參數(shù)，采用熱力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行相平衡的模擬計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。由此可得，在平衡凝固條件下，4Cr5Mo2V鋼中M23C6、M6C、MC型碳化物分別在904，968，1 075 ℃下全部溶解?？紤]到實(shí)際的凝固過(guò)程為非平衡凝固，而中碳中合金鋼的高溫?cái)U(kuò)散溫度一般在1 200～1 300 ℃，將4Cr5Mo2V鋼的高溫?cái)U(kuò)散退火溫度設(shè)為1 120，1 170，1 220，1 270 ℃，各溫度下的保溫時(shí)間分別設(shè)定為5，10 h。為有效防止試樣表面氧化脫碳，采用石英管真空封管后進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火處理。 

圖  1  計(jì)算得到4Cr5Mo2V鋼的平衡相圖

Figure  1.  Equilibrium phase diagram of 4Cr5Mo2V steel by calculation

對(duì)未經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散退火的4Cr5Mo2V鋼進(jìn)行碳化物電解分離萃取試驗(yàn)，電解液為375 mL H2O+120 mL濃鹽酸+16 g檸檬酸，電解電壓為15 V，萃取時(shí)間為8 h；將萃取的碳化物與電解液分離并烘干后，平鋪于玻璃板上，采用SmartLab型X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行物相分析，采用銅靶，Kα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，測(cè)試范圍為20°～90°，掃描速率為20（°）·min−1。對(duì)高溫?cái)U(kuò)散退火前后的試樣進(jìn)行磨制和拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕5～10 s，采用EPIPHOT 300型光學(xué)顯微鏡（OM）以及Zeiss Supra 40型場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡（SEM）的二次電子成像和背散射電子成像2種模式觀察顯微組織和微觀結(jié)構(gòu)，并用Oxford全定量能譜儀（EDS）測(cè)定液析碳化物的微區(qū)成分；采用EPIPHOT 300型光學(xué)顯微鏡觀察晶粒形貌，按照ASTM E211-24 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size利用三圓截點(diǎn)法測(cè)量晶粒尺寸并計(jì)算晶粒度。利用圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)100個(gè)不同視場(chǎng)下晶粒的弦長(zhǎng)，并將其平均值作為晶粒尺寸。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   高溫?cái)U(kuò)散退火前液析碳化物的特征

由于液析碳化物直接從凝固前沿的金屬液相中析出，形成溫度較高，原子擴(kuò)散速率快，其尺寸較共晶碳化物大；一般認(rèn)為尺寸大于1 μm的碳化物即為液析碳化物或一次碳化物[12, 14]。由圖2結(jié)合表1可以看出：高溫?cái)U(kuò)散退火前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的形態(tài)主要包括長(zhǎng)條形、魚骨狀、近球形和不規(guī)則塊狀；長(zhǎng)條形、魚骨狀的液析碳化物大都富鉬、少釩，近球狀和不規(guī)則塊狀的液析碳化物則大都富釩、少鉬，所有液析碳化物均存在少量鉻元素富集。由此可見(jiàn)，高溫?cái)U(kuò)散退火前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物是由強(qiáng)碳化物形成元素釩和鉬優(yōu)先與碳元素結(jié)合，從鋼液中析出而形成的。 

圖  2  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

Figure  2.  Micromorphology (a, c, e) and element surface scanning results (b, d, f) of primary carbides in 4Cr5Mo2V steel before high-temperature diffusion annealing: (a–b) long strip-shaped carbides; (c–d) fishbone-like carbides and (e–f) nearly spherical and irregular blocky carbides

由圖3可以看出，高溫?cái)U(kuò)散處理前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物類型以VC、Mo2C、V6C5和V8C7為主。結(jié)合SEM形貌可知，富鉬型液析碳化物以粒徑20～100 μm的長(zhǎng)條狀和魚骨狀Mo2C為主，呈灰色；而富釩型液析碳化物以粒徑小于10 μm的不規(guī)則塊狀或近球狀VC、V6C5和V8C7為主，呈深灰色或黑色。 

圖  3  高溫?cái)U(kuò)散退火前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的XRD譜

Figure  3.  XRD pattern of primary carbides in 4Cr5Mo2V steel before high-temperature diffusion annealing

2.2   高溫?cái)U(kuò)散退火后液析碳化物的特征

1 120 ℃保溫不同時(shí)間下的液析碳化物類型和形貌形似，以保溫5 h條件下的4Cr5Mo2V鋼為例進(jìn)行觀察。由圖4、表2和圖5可以看出：1 120 ℃保溫5 h高溫?cái)U(kuò)散退火后，4Cr5Mo2V鋼中的液析碳化物形貌和分布與高溫?cái)U(kuò)散退火前類似，不同的是某些液析碳化物開(kāi)始分解并溶入基體，尺寸變小，在變小的液析碳化物附近還能觀察到碳化物分解后留下的黑色占位坑，邊界清晰可見(jiàn)；這些開(kāi)始分解的液析碳化物主要為富鉬型液析碳化物，富釩型碳化物未發(fā)生明顯變化，這說(shuō)明富釩型液析碳化物的分解溫度比富鉬型液析碳化物更高。 

圖  4  1 120 ℃保溫5 h高溫?cái)U(kuò)散退火后4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的微觀形貌和元素面掃描結(jié)果

Figure  4.  Micromorphology(a, c, e, g) and element surface scanning results (b, d, f, h) of primary carbides in 4Cr5Mo2V steel after high-temperature diffusion annealing at 1 120 °C for 5 h: (a–b) long strip-shaped carbides; (c–d) fishbone-like carbides; (e–f) nearly spherical and irregular blocky carbides and (g–h) irregular blocky carbides

圖  5  圖4中線1處的元素線掃描結(jié)果

Figure  5.  Element line scanning results of line 1 marked in Fig.4

由圖6可以看出：經(jīng)過(guò)1 170 ℃保溫5 h的高溫?cái)U(kuò)散退火后，大尺寸富鉬型液析碳化物發(fā)生明顯分解，尺寸基本小于50 μm，數(shù)量減少約40%，殘留的液析碳化物呈鏈狀分布；富釩型液析碳化物未發(fā)生明顯分解。 

圖  6  1 170 ℃保溫5 h高溫?cái)U(kuò)散退火后4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的SEM形貌

Figure  6.  SEM morphology of primary carbides in 4Cr5Mo2V steel after high-temperature diffusion annealing at 1 170 °C for 5 h: (a) long strip-shaped carbides; (b) nearly spherical and blocky carbides and (c) irregular blocky carbides

由圖7可以看出：經(jīng)過(guò)1 170 ℃保溫10 h的高溫?cái)U(kuò)散退火后，液析碳化物的數(shù)量大幅減少，富鉬型液析碳化物數(shù)量殘留量約25%，其尺寸小于30 μm，富釩型液析碳化物分解依然不明顯，僅邊緣出現(xiàn)輕微鈍化；當(dāng)高溫?cái)U(kuò)散退火溫度提高至1 220 ℃保溫5 h時(shí)，富鉬型液析碳化物基本消失，富釩型液析碳化物尺寸在5～10 μm，呈分散分布，保溫10 h后富鉬型液析碳化物完全溶解，富釩型液析碳化物數(shù)量減少約60%，但未完全溶解；當(dāng)高溫?cái)U(kuò)散退火溫度進(jìn)一步提高到1 270 ℃時(shí)，保溫5 h后組織中僅存在少量富釩型液析碳化物，且尺寸小于5 μm，而保溫10 h后已經(jīng)基本看不到明顯的富釩型液析碳化物?？芍邷?cái)U(kuò)散退火溫度對(duì)液析碳化物的溶解程度影響更顯著。上述試驗(yàn)結(jié)果與毛明濤等[12]研究H13鋼液析碳化物控制方法時(shí)得到的結(jié)果相似。富釩型液析碳化物是釩與碳之間的強(qiáng)結(jié)合，熔點(diǎn)和穩(wěn)定性均較高，需要高的溫度（大于1250 ℃）才能使碳化物/基體界面處元素發(fā)生擴(kuò)散，并最終實(shí)現(xiàn)碳化物的完全溶解。富鉬型碳化物因鉬原子半徑較大，擴(kuò)散激活能較高，當(dāng)加熱溫度超過(guò)1 170 ℃時(shí)就可以發(fā)生顯著溶解。 

圖  7  不同工藝高溫?cái)U(kuò)散退火后4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的SEM形貌

Figure  7.  SEM morphology of primary carbides in 4Cr5Mo2V steel after high-temperature diffusion annealing with different processes

2.3   高溫?cái)U(kuò)散退火時(shí)晶粒尺寸變化

由圖8可以看出：在1 120 ℃和1 170 ℃下退火5 h后，晶粒長(zhǎng)大不顯著，尺寸分布均勻，平均晶粒尺寸分別為45 μm和51 μm，晶粒度分別為2.99級(jí)和2.33級(jí)；隨著退火溫度的升高，晶粒明顯長(zhǎng)大，在1 220 ℃和1 270 ℃下保溫5 h后，平均晶粒尺寸分別達(dá)到82 μm和88 μm，晶粒度分別為1.98級(jí)和1.24級(jí)，這與鋼中碳化物溶入奧氏體中，晶界的釘扎效應(yīng)減弱有關(guān)。由上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)高溫?cái)U(kuò)散退火溫度由1 170 ℃升至1 220 ℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大速率增加，當(dāng)溫度在1 220～1 270 ℃時(shí)，晶粒尺寸基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至10 h后，晶粒顯著長(zhǎng)大，1 120，1 170，1 220，1 270 ℃下的平均晶粒尺寸分別為94，116，132，148 μm，晶粒度分別為2.49級(jí)、2.16級(jí)、1.75級(jí)和1.12級(jí)。保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子擴(kuò)散越充分，晶界遷移的距離就越遠(yuǎn)，晶粒尺寸越大。在1 270 ℃保溫10 h后晶粒度最小，晶粒尺寸最大，組織未出現(xiàn)晶界過(guò)熱或過(guò)燒的情況。 

圖  8  不同工藝高溫?cái)U(kuò)散退火后4Cr5Mo2V鋼的晶粒形貌

Figure  8.  Grain morphology of 4Cr5Mo2V steel after high-temperature diffusion annealing with different processes

為了進(jìn)一步探究4Cr5Mo2V鋼在高溫?cái)U(kuò)散退火過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大行為，采用Arrhenius模型[22]對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，具體模型如下： 

式中：D為晶粒尺寸；t為保溫時(shí)間；Q為晶界激活能；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol−1·K−1；T為加熱溫度；A，n均為與材料有關(guān)的常數(shù)。 

對(duì)式（2）取對(duì)數(shù)，則有：

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的4Cr5Mo2V鋼晶粒長(zhǎng)大的數(shù)學(xué)模型為

由式（3）可知，晶粒尺寸隨高溫?cái)U(kuò)散退火溫度升高呈指數(shù)增長(zhǎng)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響遠(yuǎn)大于保溫時(shí)間，與試驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)高溫?cái)U(kuò)散退火溫度在1 170～1 220 ℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大激活能（44.2 kJ·mol−1）與奧氏體晶界遷移激活能（40～50 kJ·mol−1）相符[23]，進(jìn)一步驗(yàn)證了回歸模型的可靠性。在制定4Cr5Mo2V鋼高溫?cái)U(kuò)散退火工藝時(shí)，可將所設(shè)計(jì)的高溫?cái)U(kuò)散退火溫度和保溫時(shí)間代入式（3）計(jì)算晶粒尺寸，并結(jié)合顯微組織觀察晶界是否出現(xiàn)過(guò)熱和過(guò)燒的情況，評(píng)估晶粒尺寸的極限。 

退火導(dǎo)致的晶粒尺寸過(guò)大的問(wèn)題則可以通過(guò)后續(xù)熱加工過(guò)程中的低溫大變形或熱處理等工藝解決。高溫?cái)U(kuò)散退火工藝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以及組織不出現(xiàn)晶界過(guò)熱兩個(gè)因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝為1 270 ℃保溫10 h。 

3.   結(jié)　論

（1） 4Cr5Mo2V鋼電渣錠中存在長(zhǎng)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。1 220 ℃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1 270 ℃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(guò)程中晶粒長(zhǎng)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(zhǎng)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，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(guò)熱這兩個(gè)因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝為1 270 ℃保溫10 h。

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