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粉末冶金高钒含铌冷作模具钢的研究

李小明  
【摘要】:随着加工制造业向中国转移,国民经济发展对高品质工模具材料提出了愈来愈高的需求。目前国内大部分模具钢采用铸锻工艺生产,铸锻工艺过程中合金元素容易发生偏析,生成粗大组织,影响到模具钢的性能。本论文采用粉末冶金工艺方法,制备了两种高钒合金冷作模具钢2.45%C-5.25%Cr-1.3%Mo-9.75%V-0.9%Si(AHPV10)及2.45%C-5.25%Cr-1.3%Mo-8.64%V-1.7%N b-0.9%Si(AHPV9Nb2),开展了合金成分设计、工艺过程合金组织转变、热处理工艺、合金力学性能以及耐磨性能的研究。 论文对AHPV10及AHPV9Nb2热力学平衡相组成及相转变开展了研究。采用Thermal-Calc软件及TCFE数据库计算了AHPV10相图,从相种类、含量及成分三个方面对相图计算结果进行了验证,相图计算结果与实验结果有较好吻合。分析了铌对高钒合金相转变的影响,当铌处于0Nb%≤1.7%时,有利于得到更加均匀的组织,选定含铌1.7%的AHPV9Nb2作为研究对象。 粉末态AHPV10及AHPV9Nb2相组成为马氏体、残余奥氏体和MC碳化物。AHPV9Nb2中铌固溶于富钒MC碳化物,形成钒铌复合型MC碳化物。铌的固溶降低了MC碳化物形核势垒,有利于形成更加细小MC碳化物。经实验测定,AHPV10粉末中MC碳化物D50为0.47pm,AHPV9Nb2粉末中MC碳化物D50为0.37μm。 热等静压后,得到相对密度为100%的锭材,AHPV10及AHPV9Nb2相组成为铁素体、MC碳化物。热等静压过程中,碳化物析出及长大,AHPV10粉末中原有碳化物平均半径长大至0.35μm,新析出碳化物平均半径为0.037μm,占总碳化物体积分数1.97%。AHPV9Nb2粉末中原有碳化物平均半径长大至0.28μm,新析出碳化物平均半径为0.058μm,占总碳化物体积分数0.31%。 论文对退火态锻坯的组织结构进行了研究,AHPV10及AHPV9Nb2相组成为铁素体、MC碳化物,MC碳化物结构主要为VC,部分VC中碳空位有序化后转变为V6Cs。对锻坯进行了热处理,MC碳化物在回火过程二次析出,采用电解萃取的方法提取了AHPV10中MC碳化物。研究表明,1120℃淬火+540℃回火后,一次析出MC碳化物Ds0为1.03μm,二次析出MC碳化物Dso为21.77nm,两种碳化物的类型相同,二次析出碳化物中含有更多的Cr、Fe合金元素。一次析出MC碳化物质量分数为14.0%,二次析出MC碳化物质量分数为5.9%。 论文对AHPV10及AHPV9Nb2力学性能进行了研究。1120℃淬火后,AHPV10及AHPV9Nb2在回火温度为450℃时硬度达到最大值,分别为HRC63.9及HRC64.3。随着回火温度的升高,弯曲断裂性质由脆性断裂向韧性断裂转变,AHPV10及AHPV9Nb2表现出相近的屈服强度。AHPV9Nb2断裂前能够承受更大的变形,总体上表现出更好的抗弯强度。AHPV10及AHPV9Nb2冲击韧性随着回火温度升高而升高,冲击试样断口表现为脆性断裂特征。 论文研究了硬度及碳化物粒度对耐磨性能的影响。当AHPV10及AHPV9Nb2硬度较高时,磨损机制主要为粘着磨损,AHPV9Nb2表现出更好的抗粘着磨损性能。当AHPV10及AHPV9Nb2硬度较低时,磨损机制为粘着磨损加磨粒磨损的混合型。AHPV10表现出更好的抗磨粒磨损性能。


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