RE和Ti复合变质对铸造5CrNiMo模具钢组织和性能的影响

摘要

5CrNiMo是传统的低Cr-Ni-Mo系热作模具钢，被广泛应用于汽车、机械、船舶等领域的中小型热作模具材料，为了获得良好的综合机械性能，通常采用锻造的方法使其达到最佳的综合机械性能。但是锻造生产材料利用率低，加工量大，生产周期长，制造成本高，不适于复杂模具的制作。而采用铸造成形制造锻模可明显简化工序，降低成本，具有显著的经济效益，此外铸钢在抗热裂纹性能上优于锻钢，有利于改善热作模具使用性能。但热作模具钢的合金含量较高，铸造过程中易形成粗大组织和宏观偏析，造成模具的早期脆性断裂。为了改善铸造热作模具钢组织，提高使用寿命，可通过变质处理细化晶粒，减轻合金元素偏析，并配合合理的热处理提高其力学性能和使用性能。目前，针对铸造5CrNiMo模具钢的变质处理仅限于单独的RE变质，而Ti变质、RE和Ti复合变质效果尚不明确，有待进一步研究。 本文采用RE、Ti变质处理铸造5CrNiMo模具钢，研究了RE、Ti变质对铸造5CrNiMo模具钢铸态组织和性能的影响，通过改变热处理工艺改善其力学性能，研究了RE、Ti变质5CrNiMo钢的热处理强化机制。研究了RE、Ti变质对铸造5CrNiMo钢常温和高温磨损性能的影响，探讨了铸造模具钢的磨损机制。得出了如下研究结果： 变质与未变质的铸锭宏观组织均由表面激冷区、柱状晶区和中心等轴晶区组成；RE变质、Ti变质、RE和Ti复合变质铸锭中柱状晶宽度与铸锭半径之比由未变质的0.48分别降低至0.39，0.40，0.28，中心等轴晶晶粒平均尺寸从1700μm分别减小至715μm、653μm和200μm；晶界处碳化物由粗大的网状分布转变为断网颗粒分布。R E变质形成细小稀土硫氧化合物，使杆状TiC两端钝化，并转变为粒状。RE和Ti复合变质铸锭的抗拉强度和硬度分别由未变质试样的928MPa和260HBW提高至1005MPa和287HBW。铸态5CrNiMo模具钢的均为脆性解理断裂，但RE和Ti复合变质试样断口中，撕裂棱和小韧窝数量较未变质试样明显增多。 对RE、Ti变质铸造5CrNiMo模具钢进行调质处理，结果表明，调质态组织为回火索氏体。经过900℃×2h+570℃×2h调质处理后的RE和Ti复合变质试样具有更为优良的力学性能，其抗拉强度较未变质试样提高10.3%，达到1263MPa，延伸率为16.4%。RE和Ti变质对淬火组织硬度影响较小；但在当淬火温度高于900℃时，回火组织硬度明显升高。回火后基体中析出弥散分布的棒状Mo2C，其数量远高于未变质试样，能提供显著的沉淀强化效果。 研究了RE、Ti变质5CrNiMo常温和高温的耐磨性性能、分析了其磨损机制。结果表明，室温环境下Ti变质与R E和Ti复合变质试样平均摩擦系数小于未变质和RE变质试样，RE变质、Ti变质、RE和Ti复合变质试样磨损失重较未变质试样分别降低了5.1%、19.5%、25.6%，变质前后磨损形式均为磨粒磨损。随着环境温度升高，变质与未变质钢平均摩擦系数均逐渐降低，变质前后平均摩擦系数差异较小。环境温度为300℃时，磨损转变为氧化剥落磨损和粘着磨损，继续提高温度至450℃和600℃时磨损形式为氧化剥落磨损。在与热作模具钢工况最为接近的450℃时，未变质试样表面磨槽底部的磨损疲劳裂纹数量较多，氧化层下侧基体氧化不均匀，而RE和Ti复合变质试样裂纹较少，氧化层相对比较稳定；RE变质、Ti变质、RE和Ti复合变质试样的磨损失重相较于未变质试样分别降低23%、33%和36%。

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