热作模具钢是热态金属或液态金属成形的模具用钢，一般用于热锻模、热挤压模和压铸模三大类。其主要特点是在生产过程中需要经常与再结晶温度以上的金属接触，这也是与冷作模具钢的主要区别[1]。热作模具钢使用环境恶劣，不仅要承受高温载荷，还要承受激冷激热，因此会出现表面氧化、热机械疲劳、高温磨损、开裂等[2-7]，这就要求热作模具钢具有良好的热稳定性和抗热疲劳性能[8]。热成形模具钢主要用于高温下成形高强度结构用钢，结构用钢的拉伸强度高达1 500 ~2 000 MPa，这对热成形模具钢的综合性能提出了更高的要求[9]。针对热成形模具钢复杂的服役条件、失效形式及其原因，应将热成形模具钢作为特殊用途的热作模具钢，需具备优越的合金配比与配套工艺，保证其使用寿命和性能。不同合金元素在热成形模具钢中具有不同作用[10-14]，形成的Mo、V类强碳化物合金元素含量较低时，固溶于铁素体中起到固溶强化作用，含量较多时从过饱和固溶体中析出而形成合金碳化物。其中V在回火过程中，能从淬火马氏体基体上弥散析出，且不易聚集长大、粗化，增强钢的回火稳定性，所以V是提升热成形模具钢高温强度和韧性的关键元素。但是有研究发现[15-17]，过多的V会在高温缓冷阶段产生较多大颗粒未溶碳化物，使钢的脆性升高，韧性下降；另一方面，会使钢的回火软化加快，强度降低，使钢的强韧性都降低，且由于V价格高，添加过多的V会造成生产成本增高。Si对铁素体进行固溶强化较有效，仅次于P，但过高的Si含量在一定程度上会降低钢的韧性和塑性，同时Si容易使钢出现带状组织，使钢的脆性转折温度升高，一般都将Si含量限制在钢脱氧需要的范围。Cr在钢中既能与C形成铬碳化合物，也能固溶在基体中起固溶强化作用。铬碳化合物能提高钢的耐磨性和耐蚀性，在钢中适量添加Cr还能增加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体等温冷却转变曲线右移，提高钢的淬透性。在H13钢化学成分的基础上通过降低V、Si，提高Cr含量的方法开发新型热作模具钢CR6V，并研究CR6V钢和H13钢在同等试验条件下的组织与性能差异。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料和热处理方法

所用CR6V钢和H13钢的制备工艺为电炉熔炼→电渣重熔→多向锻打→球化退火，球化退火温度为860 ℃，其化学成分如表1所示。分别切割CR6V钢和H13钢试样5块，尺寸为30 mm×30 mm×60 mm。JMatPro软件模拟获得2种材料的Ac1、Ac3、Ms、Mf温度点用作热处理的工艺参考，如表2所示。将试样样块在空气炉中加热至1 030 ℃，保温2 h，油淬至室温。淬火后的CR6V钢和H13钢的硬度分别为53.5、52.7 HRC，将淬火后的样块分别在520、540、560、580、600 ℃回火2 h，最后空冷至室温。

表1 CR6V钢和H13钢化学成分 ( 质量分数 )

表2 CR6V钢和H13钢相转变温度

1.2 硬度与冲击及摩擦磨损与显微组织评价

将热处理后的试样打磨脱碳层并抛光，采用HR-150A型洛氏硬度计测试不同回火态试样的硬度，取5个测量点的均值。采用7 mm×10 mm×55 mm无缺口冲击样品，使用452D-2金属摆锤冲击试验机测量CR6V钢和H13钢520、540、560、580、600 ℃回火试样的冲击性能，取3块试样的平均值。在UMT-3摩擦磨损试验机测试耐磨性能试验钢的试样尺寸为 φ15 mm×5 mm，采用钢球对磨测试材料的耐磨性，钢球下压力为5 N，持续时间30 min。冲击测试的试样端部经砂纸打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后采用4XCJX倒置三目光学显微镜观察显微组织。金相试样用无水酒精超声波清洗后采用扫描电镜点扫进行回火组织表征。

2 试验结果与讨论

2.1 回火态硬度

图1所示为CR6V钢和H13钢在520~600 ℃回火2 h的硬度曲线。由图1可知，2种钢的硬度都呈下降趋势，且CR6V钢相较于H13钢平均硬度低1~4 HRC。CR6V钢在520~540 ℃及580~600 ℃内硬度下降趋势明显，在540~580 ℃内硬度下降趋势平缓；H13钢在520~580 ℃内硬度呈稳步下降趋势，在580~600 ℃内硬度下降明显。

图1 CR6V钢和H13钢在520~600 ℃回火2 h后硬度图2所示为CR6V钢和H13钢不同温度回火2 h的冲击功，从图2可以看出，CR6V钢相对于H13钢具有更好的韧性，冲击功明显高于H13钢。除了560 ℃，其余温度回火的CR6V钢冲击韧性均高于H13钢50~60 J左右，在硬度与冲击测试中，CR6V钢与H13钢均在560 ℃时出现反常。

图2 CR6V钢和H13钢不同回火温度2 h后冲击功图3所示为CR6V钢和H13钢分别在560 ℃和600 ℃回火2、4、9、15、20、25 h后得到的硬度曲线。从图3可以看出，CR6V钢和H13钢硬度在总体上呈现下降趋势，CR6V钢总体硬度低于H13。其中，H13钢在560 ℃和600 ℃保温时间小于15 h时，硬度下降先快后慢，曲线随后变得平缓，硬度趋于47 HRC（560 ℃）和38 HRC（600 ℃），而CR6V钢则在保温20 h后曲线才开始平缓，硬度趋于45 HRC（560 ℃）和34 HRC（600 ℃）。由上述试验结果可知，随着保温时间的延长，2种钢的硬度都呈现下降趋势，而随着回火温度的提高，硬度下降的幅度越来越大，最终的硬度也越低。整体上比较，CR6V钢的硬度变化范围略大于H13钢，前者的硬度下降幅度也更急剧。

图3 CR6V钢和H13钢在不同时间回火后的硬度曲线

2.2 退火态显微组织

图4所示为CR6V钢和H13钢的球化退火光学显微组织。退火处理的目的是使钢中组织和成分更加均勾，在后续的热处理过程中，合金元素会更均匀地固溶进奥氏体基体中，另外也有利于后期的模具零件机加工。从图4可以看出，2种试验钢退火态组织为铁素体上均匀分布大量的细小碳化物。相对而言，CR6V钢比H13钢具有更细小的晶粒组织，碳化物更细小弥散。

图4 CR6V钢与H13钢退火态显微组织

在SEM电镜下观察2种钢的球化退火组织，如图5、图6所示。CR6V钢和H13钢含有较多的未溶碳化物，且CR6V钢相对于H13钢的未溶碳化物更密集，颗粒密度更大。2种试验钢的碳化物主要呈现为球状或椭球状。经EDS能谱分析可得，2种试验钢的碳化物均为富Cr、Mo型碳化物，同时含有少量的V，由此推断，2种试验钢退火态的析出相可能为Cr23C6、Mo2C或Cr7C3、MoC和VC[18,19]。Fe的出现是因为扫描的光斑半径超出了碳化物的尺寸，测到了基体的成分，故不分析。

图5 CR6V钢退火态SEM组织及EDS能谱

图6 H13钢退火态SEM组织及EDS能谱

图7所示为CR6V钢与H13钢分别在560 ℃和600 ℃回火2 h后的SEM组织，从图7可以看出，在560 ℃时，CR6V钢和H13钢可以看到清晰的马氏体组织，且马氏体基体上弥散着少量细小的碳化物。随着回火温度的提高，600 ℃回火碳化物析出数量比560 ℃更多，同时伴随着碳化物的长大粗化，600 ℃回火的板条马氏体恢复程度比560 ℃稍大，且2种试验钢在600 ℃时，球状碳化物的数量也开始增多。相对于H13钢，CR6V钢的马氏体恢复程度更小，晶粒也更加细致均匀。

图7 CR6V钢与H13钢在560 ℃与600 ℃的SEM组织

图8所示为CR6V钢与H13钢分别在560 ℃和600 ℃回火2 h后的EDS能谱，由图8（a）、（b）可知，CR6V钢马氏体基体上的碳化物类型为富Cr型碳化物，Cr含量在560 ℃和600 ℃时分别达到10.29％、19.05％。而H13钢马氏体基体上的碳化物种类则为富V型碳化物，V含量在560 ℃和600 ℃时分别达到24.98％、21.26％

图8 CR6V钢与H13钢在560 ℃与600℃的EDS能谱

2.3 摩擦磨损

图9所示为CR6V钢和H13钢在600 ℃回火2 h后得到的摩擦系数变化曲线，CR6V钢的摩擦系数要小于H13钢。虽然磨损前期CR6V钢的摩擦系数呈现不规则的波动增长，但当磨损时间超过1 000 s后，摩擦系数则趋于稳定在0.3左右，并有继续下降的趋势。相对而言，H13钢的摩擦系数在磨损前期同样有较大的波动，在0.4~0.8区间，磨损500 s后则稳定在0.5~0.6。综上所述，CR6V钢具有更优的耐磨性能。

图9 CR6V钢和H13钢的摩擦系数变化曲线

▍原文作者：孟孜晗，吴英杰，吴日铭

▍作者单位：上海工程技术大学