在不同溫度（1120，1170，1220，1270 ℃）和不同保溫時間（5，10 h）下對電弧冶煉+電渣重熔制備的4Cr5Mo2V熱作模具鋼進行高溫擴散退火處理，研究了退火溫度和保溫時間對鋼中液析碳化物溶解行為和晶粒度的影響。結果表明：高溫擴散退火可有效消除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結合能及富釩型碳化物的高熔點和高熱穩(wěn)定性。建立了4Cr5Mo2V鋼在高溫擴散退火過程中晶粒長大的數學模型，模型顯示晶粒尺寸隨高溫擴散退火溫度升高呈指數增長，隨保溫時間延長呈冪函數增長，溫度是主導晶粒粗化的關鍵參數。綜合考慮液析碳化物消除效果和組織不出現晶界過熱這兩個因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫擴散退火工藝為1270 ℃保溫10 h。
論文標題：
高溫擴散退火對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)制造領域零部件向大型化與結構復雜化演進，壓鑄模具必然朝著大型化、精密化及復雜化方向發(fā)展，所用熱作模具鋼的截面尺寸會越來越大，組織和性能要求也會越來越高。
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同作用實現綜合性能的提升。在電渣重熔過程中，隨著凝固過程的進行，這些元素會在凝固前沿的金屬溶液中聚集，當濃度達到液析碳化物的形成條件時就會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），會割裂基體的連續(xù)性，導致模具在服役過程中于液析碳化物處產生應力集中，促進裂紋的萌生和擴展，從而降低鋼的強度、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和熱穩(wěn)定性好的特點，電渣重熔后進行的常規(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，高溫擴散退火是目前消除液析碳化物不利影響的最經濟有效的方法，具有不改變鋼的合金成分、不影響生產工序等特點；但高溫擴散退火過程中液析碳化物的分解較為復雜。由于高溫擴散退火的加熱溫度很高，奧氏體晶粒會發(fā)生粗化，甚至晶界會出現過熱或過燒現象，導致鋼的塑性和延展性嚴重降低，因此選擇合適的高溫擴散退火溫度成為關鍵。
作者所在團隊研究了高溫擴散退火對4Cr5Mo2V 熱作模具鋼枝晶偏析、元素分布和組織性能的影響，證實了高溫擴散退火對于消除液析碳化物不利影響的可行性。
目前，鮮見有關高溫擴散退火對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道。因此，作者在不同溫度和不同保溫時間下對電弧冶煉+電渣重熔制備的4Cr5Mo2V熱作模具鋼進行高溫擴散退火處理，研究了不同工藝退火前后液析碳化物的類型和含量，建立高溫擴散退火過程的晶粒長大動力學模型，揭示高溫擴散退火溫度和保溫時間對晶粒度的影響，以期為4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工程應用提供理論支撐和有效指導。
02研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)重點介紹了試驗材料、高溫擴散退火工藝設計、防氧化措施、碳化物分析方法和晶粒度測量方法。具體包括：采用4Cr5Mo2V電渣錠作為試驗材料，通過熱力學模擬確定碳化物溶解溫度并設定1120~1270 ℃的退火溫度及5~10 h的保溫時間；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；采用三圓截點法和圖像處理軟件測量晶粒度。
2 試驗結果與討論
本章節(jié)重點研究了高溫擴散退火對4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物溶解行為及晶粒度的影響。試驗發(fā)現，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）。
高溫擴散退火過程中，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。溫度對碳化物溶解的影響大于保溫時間。同時，隨著退火溫度升高和保溫時間延長，晶粒明顯長大，晶界釘扎效應減弱。
通過Arrhenius模型建立了晶粒長大數學模型，表明晶粒尺寸隨溫度指數增長、隨時間冪函數增長。最佳工藝為1270 ℃保溫10 h，可在有效溶解碳化物的同時避免晶界過熱。
高溫擴散退火前4Cr5Mo2V鋼中液析碳化物的微觀形貌和元素面掃描結果
不同工藝高溫擴散退火后4Cr5Mo2V鋼的晶粒形貌
03結 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，高溫擴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高溫擴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結合能及富釩型碳化物的高熔點和高熱穩(wěn)定性。
（2）建立了4Cr5Mo2V鋼在高溫擴散退火過程中晶粒長大的數學模型，晶粒尺寸隨高溫擴散退火溫度升高呈指數增長，隨保溫時間延長呈冪函數增長，溫度主導晶粒粗化，這與碳化物溶解導致的晶界釘扎效應減弱密切相關。
（3）高溫擴散退火溫度和保溫時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晶界過熱這兩個因素，4Cr5Mo2V鋼最佳的高溫擴散退火工藝為1270 ℃保溫10 h。
京公網安備11010802046783號
