陳 蒙, 吳日銘

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

隨著我國模具行業(yè)的迅速發(fā)展，熱作模具鋼的需求量越來越大，對其要求也越來越高。熱作模具包括熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等，在使用過程中內(nèi)表面受高溫、壓力、磨損等作用，其工作條件相對惡劣，因此一般要求熱作模具鋼具有較高的表面硬度和耐磨性以避免發(fā)生磨損和斷裂[1]。滲氮工藝是一種使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，可顯著提高熱作模具鋼的表面硬度、耐磨性及耐腐蝕性[2]。目前，常見的滲氮工藝有氣體滲氮、潔凈氮化、離子滲氮、兩段氮化等[3]。其中，離子滲氮具有滲氮速率快、工作環(huán)境好、易于控制、能耗小等優(yōu)點，常用于對精密度要求較高的零件進(jìn)行滲氮[4]。孫宇鋒等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著離子滲氮時間的延長，4Cr5Mo2V熱作模具鋼表面粗糙度增大，離子氮化層減薄且疏松度增加，從而使其高溫磨損性能變差。GU等[6]研究了含氮(0.08%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))4Cr5Mo2V熱作模具鋼的顯微組織和強韌化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在合適的熱處理工藝條件下，氮的加入可以提高4Cr5Mo2V鋼的硬度和耐回火性，且不會造成韌性損失。

4Cr5Mo2V鋼是一種典型的含鉻量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的熱作模具鋼，具有優(yōu)異的淬透性、熱強性和熱穩(wěn)定性，目前已廣泛應(yīng)用于多種輕合金壓鑄用模具制造中。4Cr5Mo2V鋼中的釩元素是二次硬化關(guān)鍵元素，具有熔點高、硬度高、可塑性強、不易氧化等優(yōu)點[7-8]。將適量的合金元素釩添加到鋼材中，可以起到細(xì)化晶粒、降低過熱敏感性、提高強度和耐磨性等作用，從而能夠延長鋼制產(chǎn)品的使用壽命[9-10]。然而，釩的價格較為昂貴，在4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工業(yè)生產(chǎn)中為降低成本必須考慮釩元素的最佳配比。為此，作者參照傳統(tǒng)4Cr5Mo2V鋼的化學(xué)成分，制備了3種不同釩含量的熱作模具鋼，對其進(jìn)行表面離子滲氮，研究了釩元素對離子滲氮熱作模具鋼的基體、滲氮層組織以及表面硬度、耐磨性的影響，以期為4Cr5Mo2V熱作模具鋼的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括純鉻、純鉬、純釩、純錳金屬粉末錠(由上海穆然實業(yè)發(fā)展有限公司提供)及純鐵錠(由上海西遠(yuǎn)特殊鋼制品有限公司提供)。參照4Cr5Mo2V熱作模具鋼的化學(xué)成分，按照釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.55%，0.9%設(shè)計了3種不同釩含量的試驗鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.35C，0.25Si，0.65Mn，5.00Cr，2.00Mo。根據(jù)上述配比，分別稱取原料，采用真空感應(yīng)熔煉爐制備20 kg的鋼錠，退火后去除鋼錠表面氧化皮和縮孔部分，采用天然氣加熱爐將其加熱至1 240 ℃保溫2 h，隨后進(jìn)行1 030 ℃油淬及580 ℃回火的調(diào)質(zhì)處理，得到3種不同釩含量的調(diào)質(zhì)態(tài)試驗鋼。采用線切割法在3種試驗鋼上分別截取尺寸為10 mm×10 mm×30 mm的長條狀試樣。使用碳化硅砂紙打磨并拋光后，將試樣分別在丙酮環(huán)境中超聲洗滌并吹干待用。

采用具有輔助陰極裝置的PINI-50型離子滲氮爐對3種試驗鋼進(jìn)行離子滲氮處理。試驗前將爐內(nèi)抽真空至約15 Pa，再充入體積分?jǐn)?shù)90% NH3與體積分?jǐn)?shù)2% CO2，維持爐內(nèi)壓力在300 Pa左右。離子滲氮溫度為550 ℃，克努森數(shù)Kn為0.8，保溫時間為3 h。滲氮結(jié)束后，在氨氣氣氛下冷卻至室溫。

采用線切割法在滲氮處理前后的試驗鋼上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,經(jīng)鑲樣、磨拋，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用M-4XC型倒置光學(xué)顯微鏡觀察試驗鋼基體及滲氮層的顯微組織。采用S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的微觀形貌，并采用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用FM-ARS900型顯微硬度計測滲氮前的表面硬度以及滲氮后滲氮層的顯微硬度，載荷為0.2 N，保載時間為15 s，每個試樣至少測3次求平均值，采用硬度梯度法測量滲氮層的厚度[7]。采用HT-1000型摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行常溫摩擦磨損試驗，測試載荷為10 N，轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，試驗時間為30 min，旋轉(zhuǎn)直徑為5 mm，對磨件為Si3N4球，試驗在無潤滑狀態(tài)下進(jìn)行。采用掃描電鏡觀察3種試驗鋼的摩擦磨損形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織均主要由針狀馬氏體相組成；未添加釩(釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)時，馬氏體晶粒粗大，試驗鋼基體組織疏松，根據(jù)NADCA#207-2016，試驗鋼基體的顯微組織評級為HS1級；添加釩元素后，試驗鋼基體晶粒細(xì)化，釩含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為0.55%試驗鋼的顯微組織評級達(dá)到了HS4級，釩含量為0.9%試驗鋼的顯微組織評級為HS3級。這是由于在回火過程中，晶界處形成了V(C,N)析出相，該析出相具有細(xì)化晶粒、彌散強化的作用[11]。而當(dāng)釩含量為0.55%時，試驗鋼基體晶粒分布最為均勻，晶粒最為細(xì)小，這說明適當(dāng)添加釩元素可以細(xì)化4Cr5Mo2V鋼的晶粒[12]。

圖1 不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織

由圖2可知：3種試驗鋼滲氮層均主要由白亮層和擴(kuò)散層組成，白亮層與擴(kuò)散層結(jié)合緊密；未添加釩元素時，試驗鋼的白亮層分布不連續(xù)，厚度約為2 μm，擴(kuò)散層厚度約為99 μm；釩含量為0.55%試驗鋼的白亮層分布仍較不連續(xù)，厚度在3～4 μm，擴(kuò)散層厚度增至155 μm；釩含量為0.9%試驗鋼白亮層分布均勻連續(xù)，厚度在2～3 μm，擴(kuò)散層厚度降低至120 μm。擴(kuò)散層由α相(氮在α-Fe中的間隙固溶體)組成，白亮層主要物相為γ′-Fe4N、ε-Fe2-3N等化合物[13]。白亮層中ε-Fe2-3N相的耐腐蝕性很好[14]，因此，用硝酸酒精腐蝕后，表面呈光亮的白色，擴(kuò)散層則被浸蝕而呈黑色[15]。釩元素能夠提高氮原子在α相中的固溶度，從而增大擴(kuò)散層的厚度[16]，因此添加釩元素后，滲氮層中擴(kuò)散層的厚度明顯得到提高；而當(dāng)釩含量達(dá)到0.9%時，試驗鋼表面釩含量較高，滲氮初期試驗鋼表面迅速形成了一層連續(xù)致密的白亮層壁壘[14]，阻礙了碳、氮元素向基體內(nèi)擴(kuò)散，因此釩含量為0.9%的試驗鋼擴(kuò)散層厚度有所降低[17]。白亮層中的化合物在提高試驗鋼硬度的同時會降低其韌性，而擴(kuò)散層的存在能夠提高滲氮鋼的硬度和疲勞性能，因此對于鋼的氮化，在工業(yè)生產(chǎn)中更希望獲得較薄的化合物層和較厚的擴(kuò)散層[18]。

圖2 不同釩含量試驗鋼滲氮層的顯微組織

由圖3可以看出，3種試驗鋼擴(kuò)散層的顯微組織均主要由馬氏體組成，且均存在少量白色針狀析出相，添加釩元素后擴(kuò)散層中開始出現(xiàn)白色顆粒狀析出相。當(dāng)釩含量為0.55%時，試驗鋼擴(kuò)散層中晶界清晰，晶界處及晶粒內(nèi)均存在白色顆粒狀析出相，且晶界處析出較多，這些細(xì)小彌散的顆粒狀析出相周圍應(yīng)力場弱，因此容易形成析出相/基體界面，從而有效促進(jìn)氮原子的擴(kuò)散[15]；當(dāng)釩含量為0.9%時，擴(kuò)散層中析出相的數(shù)量減少，尺寸增大。對釩含量為0.55%試驗鋼中的白色顆粒狀析出相進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，這些顆粒相中富含碳、氮、鉻和釩元素(鐵為基體組織中的成分)，推測該析出相為Cr7C3、VC和VN[19]。在進(jìn)行離子滲氮時，氮原子和碳原子優(yōu)先沿晶界、亞晶界和α相間擴(kuò)散，因此析出相主要分布在晶界和亞晶界處[20]。

圖3 不同釩含量試驗鋼擴(kuò)散層的SEM形貌

表1 含0.55%釩試驗鋼中白色顆粒相的EDS分析結(jié)果

2.2 顯微硬度

由表2可以看出：滲氮后試驗鋼的表面硬度明顯得到提高，并且當(dāng)釩含量為0.55%時試驗鋼表面硬度最高，為1 287.3 HV，而當(dāng)釩含量進(jìn)一步提高至0.9%時，試驗鋼表面硬度有所下降，為1 141.4 HV。這是由于合金元素在擴(kuò)散層中形成的析出相對組織起到了彌散硬化作用，而形成的析出相顆粒越小、分布越彌散，硬化作用越大[21-22]。當(dāng)釩含量為0.55%時，試驗鋼擴(kuò)散層內(nèi)大量彌散分布的析出相使其獲得了最高的表面硬度。而釩含量為0.9%時，擴(kuò)散層組織中的析出相發(fā)生粗化，彌散硬化作用減小，且表面覆蓋的一層致密連續(xù)的白亮層提高了試驗鋼表面的脆性，使其表面硬度降低。

表2 滲氮前后不同釩含量試驗鋼的表面顯微硬度

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出：試驗開始后，3種試驗鋼進(jìn)入磨合期，該階段摩擦因數(shù)增長速率較快，波動幅度較大；隨后試驗鋼進(jìn)入穩(wěn)定期，釩含量為0，0.55%，0.9%的試驗鋼摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定在0.48，0.15，0.4。由于在摩擦磨損過程中，接觸點之間溫度較高，會使得磨屑被氧化，隨后再被壓實在試樣表面，繼而形成一層氧化膜，而氧化膜比較軟，當(dāng)氧化膜被破壞后，摩擦因數(shù)將上升，即隨著不斷剝離、壓實的過程，摩擦因數(shù)逐漸上升至最后趨于平穩(wěn)[23]。試驗鋼表層的高硬度對氧化膜有一定的支撐作用，即更高的硬度可以避免氧化膜的快速剝落[24]，因此，當(dāng)釩含量為0.55%時，試驗鋼的摩擦因數(shù)最低，摩擦磨損過程較為穩(wěn)定。而隨著釩含量的增加，試樣的表面硬度有所降低，其摩擦因數(shù)也出現(xiàn)了一定程度的提高。

圖4 滲氮后不同釩含量試驗鋼的摩擦因數(shù)曲線

由圖5可以看出：磨損試驗后，未添加釩試驗鋼表面粗糙，發(fā)生明顯塑性變形，表面磨損嚴(yán)重，磨痕較寬，存在大量磨屑堆積，這表明未添加釩時，試驗鋼的磨損機(jī)制主要為黏著磨損；釩含量為0.55%時，試驗鋼表面光滑，磨痕較窄，無明顯裂紋，雖然也觀察到平行磨損槽，但磨痕周圍僅存在少量的磨粒，這表明試驗鋼的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損；釩含量為0.9%時，試驗鋼表面存在許多較寬的磨痕，磨痕中出現(xiàn)了較多磨屑堆積，因此試驗鋼的磨損機(jī)制以黏著磨損為主，并伴有一定的磨粒磨損。與未添加釩時相比，添加釩后，試驗鋼表面硬度更高，抵抗塑性變形能力更強，耐磨性更好[25]。而釩含量為0.55%時試驗鋼的硬度比釩含量為0.9%時硬度更大，因此磨損表面更平整，耐磨性更好。

圖5 滲氮后不同釩含量試驗鋼的表面磨損形貌

3 結(jié) 論

(1) 不同釩含量試驗鋼基體的顯微組織均由馬氏體相組成，添加釩后，基體組織得到細(xì)化，當(dāng)釩含量為0.55%時，基體晶粒分布最均勻，晶粒最細(xì)??；不同釩含量試驗鋼滲氮層均主要由白亮層和擴(kuò)散層組成，隨著釩含量提高，白亮層分布越發(fā)均勻，擴(kuò)散層厚度先增大后減?。惶砑逾C后，擴(kuò)散層中出現(xiàn)彌散分布的富含碳、氮、鉻、釩元素的細(xì)小顆粒狀析出相，隨著釩含量提高，析出相數(shù)量減少，尺寸增大。

(2) 滲氮后試驗鋼的表面硬度提高；隨著釩含量提高，試驗鋼的表面硬度先提高后降低，摩擦因數(shù)先減小后增大，磨損機(jī)制由未添加釩時的黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)殁C含量為0.55%時的磨粒磨損，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)殁C含量為0.9%時的以黏著磨損為主，伴有少量磨粒磨損。