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模具钢是现代工业生产中不可或缺的一种钢材。随着工业化和科技化要求的进一步提高, 原有的模具钢往往难以满足市场所需要的性能, 尤其是高温性能。锻造是广泛应用的一种金属材料改性方法,其对金属坯料施加一定压力后, 促使金属坯料发生塑性变形, 进而实现金属材料的改性。在锻造态模具钢的组织研究方面, 目前主要集中在H13、SDP1、5CrMnMo、55NiCrMoV7 等模具钢的锻造态组织分析以及工艺参数或合金元素对锻造态模具钢组织的影响等; 在锻造态模具钢的性能研究方面,目前主要集中在上述模具钢的力学性能、耐磨损性能等方面的研究。张肖晓等采用数值模拟的方法研究了大截面SDP1 塑料模具钢多向锻造过程中的微观组织演变。吴寿桥对激光锻造电弧复合焊接修复H13 模具钢的组织及性能进行了探讨和分析。 孙振亚分析了热处理与锻造工艺对H13 热作模具钢组织与性能的影响规律。陈方明等探索了稀土元素对5CrMnMo 锻造模具钢组织和性能的影响规律。禹兴胜等采用试验和数值模拟相结合的方法研究了55NiCrMoV7 模具钢锻造过程中微观组织的演化情况。殷铭等探讨和研究了锻造工艺对含钒热作模具钢组织和性能的具体影响。乔宁宁和王佳琪分析和探讨了锻造对热锻模具钢高温性能的影响。马野等对铝挤压H13 模具钢锻造大规格圆钢的组织和性能进行了研究。李娜等分析了锻造及热处理对4Cr5MoSiV1 模具钢组织与性能的影响。王笑驰等采用数值模拟的方法研究了SDP1 塑料模具钢锻造过程中的组织演变。5CrNiMo 模具钢是一种常用的热作模具钢, 但是随着科技的进步, 人们迫切需要提高5CrNiMo 模具钢的力学性能和耐磨损性能, 尤其是提高高温力学性能和耐高温磨损性能。 但目前关于5CrNiMo 模具钢的改性研究还鲜有报道。本文在前期开发的5CrNiMoLaSr 改性模具钢的基础上, 对5CrNiMoLaSr 改性模具钢进行了锻造试验,研究了锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢的显微组织、室温及500 ℃ 高温下的力学性能和耐磨损性能, 以期为5CrNiMoLaSr 改性模具钢的商业化应用提供参考。1.1 试验材料
锻坯为先电渣重熔再900℃×10h 均匀化处理,并去除表面氧化皮的5CrNiMoLaSr 改性模具钢圆棒,圆棒尺寸为Φ150 mm×120 mm。在1000t 液压机上以单向拔长方式进行5CrNiMoLaSr 改性模具钢的锻造试验, 不再进行热处理, 直接获得试验所需的锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样。![]()
表1为锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的化学成分。表2 为锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的具体锻造工艺参数。其中, 表2 中的锻造比按式(1) 进行计算。![]()
式中: η 为锻造比; Sb为拔长前锻坯的横截面积;Sa 为拔长后锻件的横截面积。
为了更好地研究锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢的组织与性能, 本试验以锻造态商用5CrNiMo模具钢作为对照试样。首先, 将锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的金相试样用激光切割法切取试样中心位置; 然后进行金相制样和腐蚀, 并在DMi8A 显微镜下完成金相观察。两种试样的力学性能分别在室温和500℃ 高温条件下进行测试, 拉伸试样为圆棒状试样, 平行段直径为Φ10mm、长度为40mm, 试验机型号为GRC-50KN, 拉伸速度设置为1mm·min-1, 在JSM6510 型扫描电镜下完成拉伸断口形貌观察。为了尽可能减小试验误差, 每种模具钢试样均分别进行5组拉伸试验, 以求取算术平均值的方法获得每种模具钢试样测试数据的力学性能。两种试样的耐磨损性能分别在室温和500℃ 高温条件下进行测试, 磨损试件为圆柱状试样, 平行段直径为Φ20mm、长度为40mm, 试验机型号为MLD-10, 对磨材料为调质后的处理45钢, 摩擦磨损试验过程中的磨轮转速设置为400r·min-1、磨损时间设置为60min, 在JSM6510 型扫描电镜下完成磨损试样表面形貌的观察。同样为了尽可能减小试验误差, 每种模具钢试样均分别进行5 组摩擦磨损试验, 以求取算术平均值的方法获得每种模具钢试样的耐磨损性能测试数据。2. 1 显微组织
锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr改性模具钢试样的显微组织如图1 所示。从图1可知, 与锻造态商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的晶粒得到明显细化。![]()
5CrNiMoLaSr 改性模具钢经过锻造后, 晶粒细小、均匀, 无明显的粗大树枝状或者柱状晶粒存在于试样内部。图2为锻造态商用5CrNiMo 模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的显微组织扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM) 照片。![]()
表3 为两种模具钢试样微区成分能谱仪(Energy DispersiveSpectroscopy, EDS) 分析测试结果。从图2 和表3可以看出, 与锻造态商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样在晶界处生成了较多细条状的稀土夹杂物, 如图2b 中的细条状夹杂物c 所示。这些细条状稀土夹杂物为含La (镧)、O(氧) 和S ( 硫) 的稀土夹杂物, 其主要是由于5CrNiMo 模具钢中添加的稀土元素La 与钢中存在的O、S 等杂质元素反应而形成的。在扩散机制作用下, 这些细条状稀土夹杂物聚集在晶界处, 一方面可以阻碍模具钢在结晶过程中的晶粒长大, 使得改性模具钢获得细小的晶粒组织; 另一方面可以减少O、S 等杂质元素在晶界处的偏聚, 强化晶界。![]()
此外, 从图2 和表3 还可以看出, 钢中添加的合金元素Sr (锶) 以颗粒状形态弥散分布在晶内, 如图2b 中的颗粒物d 所示。这主要是因为复合添加的稀土元素La 及在晶界处形成的稀土夹杂物促使了碱土金属Sr 从晶界处转移到晶内并呈弥散分布, 使得添加的碱土金属Sr 未在晶界处偏聚, 也未形成明显的区域偏析。由此可以看出, 复合添加稀土金属La和碱土金属Sr 后, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢内部组织细小, 稀土夹杂物呈细条状分布在晶界处,金属Sr 以颗粒状弥散分布在晶内。 对锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样分别在室温和500℃高温条件下进行力学性能测试, 如表4 所示。从表4可以看出, 无论是室温还是500℃ 高温测试条件下, 与锻造态商用5CrNiMo模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的抗拉强度和屈服强度均得到较大幅度的提高, 而且伸长率也得到一定幅度的增加。此外, 从表4 还可以看出, 无论是室温还是500℃ 高温测试条件下, 与锻造态商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的抗拉强度、屈服强度和伸长率测试结果的均匀性均更好, 其中, 室温抗拉强度从992 MPa增大至1216 MPa、500 ℃ 高温下的抗拉强度从628 MPa 增大至942 MPa, 室温抗拉强度增大了224 MPa、500℃高温抗拉强度增大了314 MPa; 室温屈服强度从787MPa 增大至994MPa、500℃ 高温屈服强度从340MPa 增大至625MPa, 室温屈服强度增大了207MPa、500℃ 高温屈服强度增大了285 MPa; 室温伸长率和500 ℃ 高温伸长率均有较小幅度的增加。由此可以看出, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢可以在获得较高伸长率的前提下, 使抗拉强度和屈服强度也达到较高水平,具有较佳的室温力学性能和高温力学性能。![]()
图3为锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样在500℃ 高温条件下的拉伸断口SEM照片。从图3可知, 两种模具钢试样的拉伸断口中均含有较多的韧窝和撕裂棱, 均属于韧性断裂。但与锻造态商用5CrNiMo模具钢相比,锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的拉伸断口中的韧窝更加细小、撕裂棱更多, 展现出比锻造态商用5CrNiMo 模具钢更好的高温拉伸性能。![]()
表5为锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr改性模具钢试样在室温和500℃高温条件下测得的耐磨损性能。从表5可以看出, 无论是室温还是500℃高温测试条件下, 与锻造态商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的磨损体积均小得多, 具有更好的室温和高温耐磨损性能。此外, 从表5 还可以看出, 无论是室温还是500 ℃高温测试条件下, 与锻造态商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的磨损体积测试结果的均匀性均更好。其中, 室温磨损体积从2.9×10-2mm3减小至1.8×10-2mm3, 500℃高温磨损体积从9.4×10-2mm3减小至4.1×10-2 mm3, 室温磨损体积减小了1.1×10-2 mm3、500℃ 高温磨损体积减小了5.3×10-2 mm3。由此可以看出, 锻造态5CrNiMoLaSr改性模具钢无论是室温还是高温条件下均具有较佳的耐磨损性能, 室温和高温耐磨损性能均优于锻造态商用5CrNiMo模具钢。![]()
图4为锻造态商用5CrNiMo模具钢和锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样在500℃ 高温条件下磨损试验后的表面形貌扫描电镜照片。从图4 可知,锻造态商用5CrNiMo模具钢在500℃高温磨损后表面出现较多的片状或颗粒状磨屑(图4a中白色部分), 模具钢的磨损现象比较严重; 但锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样在500℃ 高温条件下磨损后表面无明显的片状磨屑, 仅有极少量的颗粒状磨屑, 试样的磨损现象较商用5CrNiMo 模具钢轻微很多, 其具有更好的耐高温磨损性能。![]()
与锻造态商用5CrNiMo模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢具有更佳的力学性能和耐磨损性能, 主要是因为以下4个方面的原因。(1) 在5CrNiMo 模具钢中添加适量的稀土元素La 后, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢的晶界处发现了较多细条状的含La、O 和S 的稀土夹杂物, 这主要是通过稀土元素La 与钢中的S、O 等杂质元素反应形成稀土夹杂物, 这些夹杂物在结晶过程中起到阻碍晶粒长大的作用, 从而有效地细化了5CrNiMo 模具钢的晶粒组织、减少晶界面积, 从而提高模具钢在室温及高温环境下的力学性能和耐磨损性能。(2) 在5CrNiMo 模具钢中添加适量的稀土元素La 后, 在模具钢中固溶的稀土元素La 通过扩散机制富集在晶界处, 明显减少了O 和S 等杂质元素在晶界的偏聚, 使得晶界得到有效强化, 从而有效提高模具钢的力学性能和耐磨损性能, 尤其是在高温环境下的力学性能和耐磨损性能。(3) 在5CrNiMo 模具钢中添加适量的稀土元素La 后, 可以降低模具钢中杂质元素C、N 的活度, 增加C 和N 在钢中的溶解度, 减少C 和N 的脱溶量,使C 和N 不能脱溶进入内应力区和晶体缺陷中, 从而提高模具钢的力学性能和耐磨损性能。(4) 在5CrNiMo 模具钢中复合添加适量的稀土元素La 和提高材料高温性能的碱土金属Sr, 可以有效促使富集在晶界处的Sr 转移到晶内并呈弥散分布,减少Sr 在晶界上的偏聚和区域偏析, 从而充分发挥Sr 在提高高温性能方面的作用, 因而显著提高了模具钢在高温环境下的力学性能和耐磨损性能。 另外, 在对5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样进行锻造的过程中, 通过对试样施加压力使其发生塑性变形, 从而改善模具钢试样的内部组织和外在性能。 在5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的制备过程中, 锻造可以有效地消除5CrNiMoLaSr 改性模具钢锻坯中原本存在的内部缺陷和晶界变形, 提高其晶粒细化程度, 增加晶界密度, 从而在提高5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样室温和高温抗拉强度和屈服强度的同时, 使得试样的伸长率和塑性也得到一定程度的提高; 此外, 还有效增强了5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样在摩擦磨损试验中的抵抗磨损能力, 提高模具钢试样的室温和高温耐磨损性能。 在后续研究中, 还将深入探讨和分析始锻温度、终锻温度、锻坯加热温度、锻造比、轴向送进速度和模具预热温度等锻造工艺参数对5CrNiMoLaSr 改性模具钢的显微组织、力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能和抗高温氧化性能等的影响, 找出5CrNiMoLaSr 改性模具钢的最佳锻造工艺参数, 促进5CrNiMoLaSr 改性模具钢的商业化应用。(1) 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢由于稀土元素及其形成的稀土夹杂物的阻碍作用, 形成了细小均匀的内部组织, 从而获得优异的室温和高温力学性能, 以及室温和高温耐磨损性能。
(2) 与商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的组织更为细小、均匀, 其抗拉强度在室温下增大224 MPa、500 ℃ 高温下增大314 MPa; 屈服强度在室温下增大207 MPa、500 ℃高温下增大285 MPa; 伸长率在室温和500 ℃ 高温下均有较小幅度的提高。锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的室温和高温力学性能均得到明显提高。(3) 与商用5CrNiMo 模具钢相比, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的磨损体积在室温下减小1.1×10-2mm3、500℃ 高温下减小5.3×10-2 mm3, 锻造态5CrNiMoLaSr 改性模具钢试样的室温和高温耐磨损性能均得到明显提高。免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！
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