喷射成形高合金Vanadis4冷作模具钢的组织与性能研究

摘要

本文工作结合宝钢集团重大科研项目“喷射成形先进冶金加工技术的应用开发”而完成。模具钢大多数采用常规铸造方法，再经大变形量锻造及复杂的热处理来改善钢中碳化物尺寸和分布，以获得良好的力学性能。但常规方法难以制备高品质高合金模具钢，而只能采用工艺复杂、成本高的粉末冶金方法生产。选取瑞典UDDEHOLM公司生产的粉末冶金Vanadis4(V4)钢作为对比材料，采用喷射成形这一先进的冶金加工技术制备了V4钢，有效细化了晶粒，减小了偏析，极大地改善了钢中碳化物形貌和分布。在此基础上分析了喷射成形V4钢微观组织及形成特点，揭示了该钢的细化机理及区别于其它喷射成形钢材的特点；系统的研究了喷射成形V4钢热加工过程微观组织演变行为，给出了制备V4钢最优化的控制参数；对比研究了喷射成形V4钢与粉末冶金V4钢的淬回火后的力学性能，分析了喷射成形V4钢回火过程二次碳化物的析出行为。自主创新的工艺路线相对粉末冶金工艺而言工艺简单成本更低，有力地证明了喷射成形取代粉末冶金制备高合金V4钢的可行性。 喷射成形工艺得到的高合金V4钢为等轴晶，晶粒大小在8-10μm左右分布均匀，无宏观偏析及粗大网状碳化物，且组织中未见类似常规铸态材料中的共晶组织。其组成相包括马氏体、残余奥氏体、MC及M7C3型碳化物，其中，残余奥氏体含量高达33％，VC颗粒大部分尺寸在0.5-2μm均匀分布在晶界，而大部分M7C3颗粒尺寸在180nm左右均匀分布在晶内。喷射成形所具有的快速凝固特征是V4钢组织细化的最关键因素；此外，喷射成形雾化过程先凝固粒子的异质形核作用，以及凝固过程中在较高温度析出的VC限制了γ枝晶生长的时间和空间，从而促进γ枝晶细化也是其能获得细小晶粒的重要原因。 V4钢加热过程的相转变点为845℃(A1)和890℃(A3)，加热过程中由于基体组织分解及大量碳化物析出而导致热膨胀曲线出现明显的弯曲。等温压缩热模拟实验结果表明，V4钢在850-1150℃温度范围内的真应力-真应变曲线均为典型的再结晶曲线，当变形温度一定，变形速率越高，流变应力越大；当变形速率一定，变形温度越高，流变应力越小。热轧实验研究结果表明，V4钢在850-950℃温度轧制后基体中析出了大量M7C3及M3C碳化物，而一次碳化物则会发生不均匀长大，因此轧后组织很不均匀；1050℃轧后组织中的碳化物最为均匀细小：当轧制温度升高至1100℃以上时，回溶至基体的合金元素在轧后冷却过程中将沿晶界不均匀析出。因此，热变形温度是决定变形后组织中碳化物形貌、尺寸和分布的最关键热力学条件。退火实验结果表明，退火温度显著影响轧后组织中碳化物球化过程。850℃退火时元素扩散速率较低，部分条状碳化物还未熔断球化；900℃是最理想的退火温度；温度升高至950℃，元素扩散大大能力增加，碳化物将发生较为明显的粗化。通过本文新工艺得到的V4钢组织相对粉末冶金V4钢而言碳化物更加均匀细小，且所采用的轧制或锻造工艺相对简单，工业上也易于实现，这是喷射成形高合金模具钢的独特优点。本研究成果能填补国内采用喷射成形取代粉末冶金制备高合金模具钢的空白。 经过相同工艺淬回火后的喷射成形V4钢硬度值高于粉末冶金V4钢，两者冲击功相当。V4钢回火过程存在明显的二次硬化，在500℃回火后，极其细小且弥散析出的纳米级VC是材料达到二次硬化峰的主要原因，VC热稳定性好，经过长时间时效也很难长大；当回火温度进一步升高至550℃后，析出的碳化物为尺寸相对较大的MaC，大量C的析出使基体强度降低，且M3C的弥散强化效果低于MC，因此V4钢硬度值有较为明显下降；而700℃过时效处理5min后基体便迅速分解，位错密度显著降低，首先发现析出的碳化物为M7C3且多沿马氏体板条边界析出，随回火时间延长析出的碳化物还包括M23C6、M6C、MC。基体在回复过程中，胞壁的位错重新排列和对消逐渐变锋锐，胞壁完全锋锐了的胞块转化为亚晶，亚晶逐渐合并，形成多边形铁素体。基体中析出的大量碳化物能有效钉扎亚晶界，阻止亚晶合并和再结晶的进行。 喷射成形V4钢与粉末冶金V4钢的耐磨性对比研究结果表明，两种钢的磨损过程均包括跑合与稳定磨损两个阶段，在二次硬化峰值处两种材料具有最好的耐磨性。磨损表面的扫描电镜形貌观察表明两种钢的主要磨损机制为磨粒磨损，但粉末冶金V4钢磨损表面还存在粘着磨损形貌，而该特征在喷射成形V4钢磨损表面并未发现，这是两种钢磨损过程中的摩擦系数和表面粗糙度差别产生的主要原因。相同实验条件下喷射成形V4钢摩擦系数小于粉末冶金V4钢摩擦系数；基于激光扫描共焦显微镜的两材料磨损表面三维粗糙度表征结果表明喷射成形V4钢的表面粗糙度低于粉末冶金V4钢表面粗糙度。粘着磨损的产生与两种材料中碳化物总量、分布、碳化物间距相关，喷射成形V4钢中碳化物更加均匀细小，能有效避免对磨材料基体间的直接接触而避免粘着磨损。相同淬回火条件下的喷射成形V4钢的耐磨性优于粉末冶金V4钢。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1 引言

1.2模具钢的研究进展

1.2.1模具钢的发展简史

1.2.2合金元素在模具钢中的作用

1.2.3模具钢中的二次硬化与时效处理

1.2.4模具钢的耐磨性研究

1.3喷射成形技术及其在钢铁材料中的应用

1.3.1喷射成形技术原理

1.3.2钢铁材料的喷射成形研究进展

1.4论文研究内容与目标

参考文献

第二章 实验材料与实验方法

2.1实验材料的制备

2.2 V4钢凝固过程研究实验

2.3热轧实验

2.4摩擦磨损试验

2.5组织及力学性能检测

参考文献

第三章喷射成形态V4钢微观组织及形成特点研究

3.1引言

3.2喷射成形态V4钢的微观组织

3.2.1基体组织和相组成

3.2.2钢中碳化物特点

3.2.3合金元素分布特点

3.2.4微观组织缺陷

3.3喷射成形态V4钢的形成特点

3.3.1 V4钢凝固过程研究

3.3.2喷射成形态V4钢组织细化机制

3.4本章结论

参考文献

第四章喷射成形V4钢热加工工艺研究

4.1引言

4.2喷射成形V4钢热加工物理模拟实验研究

4.2.1实验方法

4.2.2实验结果及分析

4.3喷射成形V4钢热轧过程组织演变规律

4.3.1实验方法

4.3.2实验结果与分析

4.3.3轧制过程组织演变行为分析

4.4喷射成形V4钢轧后组织球化退火处理

4.4.1实验方法

4.4.2实验结果与分析

4.5喷射成形V4钢锻造及球化退火处理

4.5.1实验方法

4.5.2实验结果与分析

4.6本章小结

参考文献

第五章喷射成形V4钢调质处理组织与性能研究

5.1引言

5.2实验方法

5.3喷射成形V4钢调质处理后力学性能变化规律

5.4淬回火过程中的碳化物析出行为

5.4.1淬火组织特点

5.4.2 500℃回火析出行为

5.4.3 550℃回火析出行为

5.4.4 700℃同火析出行为

5.4.5回火过程碳化物的粗化行为

5.5喷射成形V4钢调质处理后滑动摩擦磨损行为

5.5.1磨损实验方法

5.5.2实验结果与分析

5.5.3滑动摩擦磨损行为分析

5.4本章结论

参考文献

第六章结论

本文创新点

攻读学位期间发表的学术论文及申请的专利

致谢