5Cr8MoNi2SiV热作模具钢的强韧化热处理与组织性能研究

摘要

本文以用于高强钢板冲压成型的热作模具钢5Cr8MoNi2SiV为材料，首先，分别利用Thermo-calc与Jmatpro热力学软件模拟出该钢的平衡相图和CCT曲线，由此得出热处理工艺参数。其次，通过硬度测试、冲击试验、XRD分析、SEM及能谱分析研究强韧化热处理工艺对5Cr8MoNi2SiV钢组织和性能的影响规律。随后，利用AES分析不同回火温度、不同时效时间下晶界的成分变化，分析5Cr8MoNi2SiV钢沿晶界脆性断裂的原因。最后，对其进行高温性能测试。
　　研究发现，5Cr8MoNi2SiV为马氏体型热作模具钢，具有优良的淬透性，过冷奥氏体十分稳定，碳化物析出倾向很小。因而只能利用在珠光体转变区长时间等温，实现碳化物球化。球化退火工艺中，奥氏体化温度、等温温度和等温时间对碳化物的球化影响较大，在最佳的等温球化退火工艺：1090℃正火1h+880℃奥氏体化2h+680℃等温48h后炉冷，碳化物球化效果较好，铸态偏析组织得到较大的改善，从而提高了5Cr8MoNi2SiV钢的韧性。而退火后碳化物类型主要以Cr的碳化物、Mo的碳化物和V的碳化物为主。在回火过程中发现5Cr8MoNi2SiV钢存在二次硬化现象和高温回火脆性。二次硬化峰值与回火脆性峰谷都在530℃回火。高温回火脆性与二次硬化造成硬度的增加是导致其发生沿晶脆性断裂的主要原因。而高温回火脆性的产生主要是Cr、Mo和V的碳化物和杂质元素P沿晶界偏聚，造成晶界结合力下降。在不同回火温度和时效时间下，由于合金碳化物的析出行为变化不同导致晶界Cr和Mo的浓度变化，从而引起晶界上杂质元素P的变化，导致断裂特征不同。在欠时效状态下，晶界上P浓度的增加是由大量析出Mo的碳化物造成的，在过时效状态下，晶界上P浓度的升高是晶界上Cr浓度的升高因起的。
　　最终通过常温力学性能、高温热稳定性和高温氧化性能测试，优化出5Cr8MoNi2SiV钢在等温球化退火后，最佳的热处理工艺为1120℃油淬+450℃回火。而热稳定性与高温氧化性的优劣也与时效状态有关，450℃回火后时效仍处于欠时效状态，而620℃回火后时效处于过时效状态，通过对比也发现，450℃回火后热稳定性与高温氧化性均优于620℃回火。
　　在强韧化热处理工艺下5Cr8MoNi2SiV钢的性能达到使用工况要求，在具备了较高硬度的同时，保持了一定的韧性，并具备了良好的热稳定性和高温氧化性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 热作模具钢的国内外研究现状与发展

1.3 热作模具钢的性能要求

1.4 热作模具钢的强韧化途径

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1实验原料与成分

2.2实验设备及热力学软件

2.3 5Cr8MoNi2SiV钢的性能测试

2.4试验研究内容及方法

2.5 本章小结

第3章 5Cr8MoNi2SiV钢热力学模拟及等温球化退火工艺

3.1 5Cr8MoNi2SiV钢的热力学平衡相图及CCT曲线

3.2 5Cr8MoNi2SiV钢等温球化退火研究

3.3 5Cr8MoNi2SiV钢退火态中的碳化物

3.4 本章小结

第4章 强韧化热处理工艺对5Cr8MoNi2SiV钢组织与性能的影响

4.1 5Cr8MoNi2SiV钢的铸态组织及液相成分

4.2 不同预处理工艺对组织及硬度的影响

4.3 淬火温度对组织与力学性能的影响

4.4 回火温度对5Cr8MoNi2SiV钢组织与力学性能的影响

4.5 本章小结

第5章 5Cr8MoNi2SiV钢晶界成分及沿晶脆性断裂机理

5.1 5Cr8MoNi2SiV钢的晶界偏聚

5.2 5Cr8MoNi2SiV钢的晶界成分变化及沿晶脆性断裂机理

5.3 不同时效时间下晶界成分变化及断裂特征

5.4 本章小结

第6章5Cr8MoNi2SiV钢的高温性能

6.1 5Cr8MoNi2SiV钢的热稳定性

6.2 5Cr8MoNi2SiV钢高温抗氧化性能

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢