D01:10.13374j.isml00103x.2007.2.B5 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 稀土La对5 CrNiMo模具钢力学性能的影响 郭洪飞郝新何智慧 内蒙古工业大学材料科学与工程学院。呼和浩特010051 摘要研究了加入稀土La后5 CrNiMo钢的强度、硬度、冲击韧性变化：并在相同热处理工艺条件下，与不添加稀土La的 5CNMo钢进行对比.结果表明：稀土La加入量在适当的范围内可显著提高钢的强度、硬度和冲击韧性：当稀土La质量分数 为0033%时，5 CrNiMo钢可获得最好的综合力学性能 关键词模具钢：稀土：力学性能：断口形貌 分类号TG142.45 5 CrNiMo钢是目前国内广泛使用的热作模具 S,0016:P,0015:Cr,0.65:Ni1.66:Mo,0.17.材 钢.由于在工作时与炽热金属相接触，模具工作部 料经改锻后分别制成10mm×15mm金相试样、 分的温度会升高至几百度甚至上千度.除承受巨大 Φ16mmX150mm标准拉伸试样、10mm×10mm× 的机械应力和炽热金属流动变形的强摩擦外，还要 55mmV型缺口标准冲击试样9咧.稀土添加剂为四 承受炽热金属和冷却介质交替作用而引起的热应 方状颗粒，主要元素为La轻稀土元素， 力一引，因而其常见的失效形式有模腔塑性变形、磨 1.2实验方法及热处理工艺 损，热疲劳开裂等问.这就要求摸具钢在高温下 冶炼设备为普通的中频炉，进行了一炉次的工 要具有足够的强度、硬度、耐磨性和韧性.为了获得 艺实验.共治炼15.6kg5 CrNiMo钢，浇注时分4份 高品质5CNMo钢可采用加入稀土元素来改变碳 钢水加入已放入不同量稀土La的砂型中，其中一个 化物及夹杂物形态、细化晶粒、净化和强化晶界等作 不加稀土La.4份试样的编号及化学成分如表1. 用来提高其力学性能.目前，稀土元素在热作 稀土La加入时，外包一层铝箔的阻燃剂，治炼过程 模具钢中的应用较少，而且这方面的资料也很有限. 中提前放入砂型中，并以Si、Mn弱氧化剂预脱氧， 因此，本文研究了在常规生产条件下，稀土La对 以强氧化剂A1进行终脱氧1？.浇注后按要求锻 5 CrNiMo热作模具钢的力学性能的影响，所得结果 成钢料，试样直接从钢料上截取尺寸为26mm圆 可为企业生产和研制模具材料提供参考依据. 钢，加工成实验所需要的形状和尺寸.强度、硬度、 1实验材料和方法 冲击韧性分别在SCHENCK一RSA250电子万能试 验机、HR-150A型洛氏硬度计和JB一200型冲击试 1.1实验材料及样品制备 验机上测定.热处理工艺采用加热至850℃保温 实验用5 CrNiMo钢为80mm的棒材，其主要 20min油淬，淬火后在温度520℃保温3h回火和在 成分（质量分数，%）：C,0.53:Si,0.30:Mn,0.70: 温度470℃保温3h进行二次回火工艺. 表1试样的化学成分（质量分数） Table 1 Composition of samples % 试样号 C Mn Cr Ni Mo RE(加入量) RE(残留量) 10 053 0.30 070 0016 0015 065 L66 017 0 0 2* 052 031 071 0015 0014 064 L67 017 005 0008 3÷ 052 032 0.70 0013 0012 065 L68 018 022 Q033 4# 051 031 072 0014 0013 063 L67 018 025 0038 收稿日期：200609-05修回日期：2006-1015 作者简介：郭洪飞(1980一).男顾士研究生：郝新(1956一).男. 教授
稀土 La 对 5CrNiMo 模具钢力学性能的影响 郭洪飞 郝 新 何智慧 内蒙古工业大学材料科学与工程学院, 呼和浩特 010051 摘 要 研究了加入稀土 La 后 5CrNiMo 钢的强度、硬度、冲击韧性变化;并在相同热处理工艺条件下, 与不添加稀土 La 的 5CrNiMo 钢进行对比.结果表明:稀土 La 加入量在适当的范围内可显著提高钢的强度、硬度和冲击韧性;当稀土 La 质量分数 为 0.033%时, 5CrNiMo 钢可获得最好的综合力学性能. 关键词 模具钢;稀土;力学性能;断口形貌 分类号 TG142.45 收稿日期:2006-09-05 修回日期:2006-10-15 作者简介:郭洪飞(1980—), 男, 硕士研究生;郝 新(1956—), 男, 教授 5CrNiMo 钢是目前国内广泛使用的热作模具 钢.由于在工作时与炽热金属相接触, 模具工作部 分的温度会升高至几百度甚至上千度 .除承受巨大 的机械应力和炽热金属流动变形的强摩擦外, 还要 承受炽热金属和冷却介质交替作用而引起的热应 力 [ 1-3] ,因而其常见的失效形式有模腔塑性变形、磨 损、热疲劳开裂等[ 4-5] .这就要求摸具钢在高温下 要具有足够的强度、硬度 、耐磨性和韧性 .为了获得 高品质 5CrNiMo 钢,可采用加入稀土元素来改变碳 化物及夹杂物形态、细化晶粒 、净化和强化晶界等作 用来提高其力学性能[ 6-8] .目前 , 稀土元素在热作 模具钢中的应用较少 ,而且这方面的资料也很有限 . 因此 ,本文研究了在常规生产条件下 , 稀土 La 对 5CrNiMo 热作模具钢的力学性能的影响, 所得结果 可为企业生产和研制模具材料提供参考依据 . 1 实验材料和方法 1.1 实验材料及样品制备 实验用 5CrNiMo 钢为 80 mm 的棒材 , 其主要 成分(质量分数 , %):C , 0.53 ;Si , 0.30 ;Mn , 0.70 ; S , 0.016 ;P , 0.015 ;Cr , 0.65 ;Ni, 1.66 ;M o , 0.17 .材 料经改锻后分别制成 10 mm ×15 mm 金相试样、 16 mm ×150 mm 标准拉伸试样、10 mm ×10 mm × 55 mm V 型缺口标准冲击试样[ 9] .稀土添加剂为四 方状颗粒,主要元素为 La 轻稀土元素[ 10] . 1.2 实验方法及热处理工艺 冶炼设备为普通的中频炉, 进行了一炉次的工 艺实验, 共冶炼 15.6 kg 5CrNiMo 钢, 浇注时分 4 份 钢水加入已放入不同量稀土 La 的砂型中 ,其中一个 不加稀土 La .4 份试样的编号及化学成分如表 1 . 稀土 La 加入时 ,外包一层铝箔的阻燃剂 , 冶炼过程 中提前放入砂型中, 并以 Si 、M n 弱氧化剂预脱氧, 以强氧化剂 Al 进行终脱氧 [ 11-12] .浇注后按要求锻 成钢料,试样直接从钢料上截取尺寸为 26 mm 圆 钢 ,加工成实验所需要的形状和尺寸 .强度、硬度、 冲击韧性分别在 SCHENCK-RSA250 电子万能试 验机、HR-150A 型洛氏硬度计和 JB-200 型冲击试 验机上测定.热处理工艺采用加热至 850 ℃保温 20 min油淬 ,淬火后在温度 520 ℃保温 3 h 回火和在 温度 470 ℃保温 3 h 进行二次回火工艺. 表 1 试样的化学成分(质量分数) Tabl e 1 Composition of samples % 试样号 C Si M n S P C r Ni Mo RE(加入量) RE(残留量) 1 # 0.53 0.30 0.70 0.016 0.015 0.65 1.66 0.17 0 0 2 # 0.52 0.31 0.71 0.015 0.014 0.64 1.67 0.17 0.05 0.008 3 # 0.52 0.32 0.70 0.013 0.012 0.65 1.68 0.18 0.22 0.033 4 # 0.51 0.31 0.72 0.014 0.013 0.63 1.67 0.18 0.25 0.038 第 29 卷 第 12 期 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.12 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.12.035
。1210 北京科技大学学报 第29卷 2实验结果和分析 140r 120 21强度硬度分析 100 在HR-150A型洛氏硬度计上对不同稀土含量 的5 CrNiMo钢在二次回火状态下进行硬度测试， 1#~4#试样的硬度分别为HRC40.0,41.5,43.5 60 和42.5.这说明微量稀土La对于5 CrNiMo钢硬度 的影响不大.将实验所用1#一4标准拉伸试样（试 20 样状态均为盐浴炉加热淬火后在520℃保温3h回 4681012 火)在SCH ENCK-SA250电子万能试验机上进行 位移mm 拉伸实验，绘制出不同稀土含量的5 CrNiMo钢的抗 图4不同稀土La含量的5 CrNiMo钢拉伸曲线的对比 拉强度、屈服强度和延伸率曲线图如图1~3，拉伸 Fig.4 Comparison of the tensile curves of 5CrNiMo steels with 实验曲线对比图如图4. different contents of RE La element 1580F 从图1~3可以看出，3试样的抗拉强度、屈服 1560 1540 强度和延伸率较2#试样略微升高，其抗拉强度提高 星1520 7.0%,屈服强度提高0.67%，延伸率提高了 81500 1.18%,相差不大.3试样比1#试样的抗拉强度提 1480 1460 高了9.3%，屈服强度提高了5.7%，延伸率提高了 1440 10.3%,二者的各项指标有了较大提高.3试样的 00.0100.0200.0300.040 整体性能的提高可以说明稀土La对拉伸的整体性 w(La% 能有利.4试样与3试样相比抗拉强度降低了 图1稀土La加入量对5 CrNiMo钢抗拉强度的影响 3.1%,屈服强度降低了06%，延伸率降低了 Fig.I Effect of La addition on the tensile strength of 5CrNiMo 7.5%,说明稀土La加入量过大时反而使力学性能 steel 下降.从图4可以看出，随加入到钢中稀土量的增 1280 加，钢的强度多数呈现先上升后下降的规律.综合 1260 图1~4可以得出，在适当范围内加入稀土La,可提 高5 CrNiMo钢综合力学性能. 1240 2.2冲击韧性分析 1220 在JB一200型冲击试验机上对回火状态试样作 冲击实验.1#~4#试样的冲击功分别为34.3， 1200 00.0100.0200.0300.040 41.7,462和406，可见2~4试样与1试样的 w(Lay% 冲击功相比分别提高了21%、34%、18%.说明在适 图2稀土La加入对5 CrNiMo钢屈服强度的影响 当范围内加入稀土La后，5 CrNiMo钢的冲击韧性 Fig.2 Effect of La addition on the yield strength of 5CrNiMo steel 显著提高.图5为选择冲击断裂部位的1#与3冲 8.6 击试样断口在扫描电镜下观察到的形貌. 8.4 对5 CrNiMo钢冲击断口的观察可以看出：1# 试样宏观断口比较齐平，在扫描电镜下晶粒明显粗 8.2 大，韧窝中存在MnS夹杂物且尺寸较大；而3试样 8.0 宏观断口有剪切唇，亮灰色弱金属光泽.在扫描电 7.8 镜下韧窝边缘亮度较大，有较多突起的撕裂棱.韧 0.0100.0200.0300.040 窝底部为细小的球形第二相粒子，成分检测为稀土 w(La)/% 氧硫化物.说明在钢中加入稀土后，由于组织的细 图3稀土La加入量对5CrMo钢延伸率的影响 化和基体内夹杂物的变质及细小，使得钢中产生裂 Fig.3 Effect of La addition on the elongation of 5CrNiMo steel 纹的机会减少1)：同时裂纹扩展所需的能量增大
2 实验结果和分析 2.1 强度硬度分析 在 HR-150A 型洛氏硬度计上对不同稀土含量 的 5CrNiMo 钢在二次回火状态下进行硬度测试 , 1 #～ 4 #试样的硬度分别为 HRC 40.0 , 41.5 , 43.5 和 42.5 .这说明微量稀土 La 对于 5CrNiMo 钢硬度 的影响不大 .将实验所用 1 # ～ 4 #标准拉伸试样(试 样状态均为盐浴炉加热淬火后在 520 ℃保温 3 h 回 火)在 SCHENCK-RSA250 电子万能试验机上进行 拉伸实验, 绘制出不同稀土含量的 5CrNiMo 钢的抗 拉强度、屈服强度和延伸率曲线图如图 1 ～ 3 , 拉伸 实验曲线对比图如图 4 . 图 1 稀土La 加入量对 5CrNiMo钢抗拉强度的影响 Fig.1 Effect of La addition on the tensile strength of 5CrNiMo steel 图 2 稀土 La 加入对 5CrNiMo钢屈服强度的影响 Fig.2 Effect of La addition on the yield strength of 5CrNiMo steel 图 3 稀土 La 加入量对 5CrNiMo钢延伸率的影响 Fig.3 Effect of La addition on the elongation of 5CrNiMo steel 图 4 不同稀土 La含量的 5CrNiMo 钢拉伸曲线的对比 Fig.4 Comparison of the tensile curves of 5CrNiMo steels with different contents of RE La element 从图 1 ～ 3 可以看出, 3 #试样的抗拉强度 、屈服 强度和延伸率较 2 #试样略微升高, 其抗拉强度提高 7.0 %, 屈 服 强 度 提 高 0.67 %, 延 伸 率 提 高 了 1.18 %,相差不大 .3 #试样比 1 #试样的抗拉强度提 高了 9.3 %,屈服强度提高了 5.7 %,延伸率提高了 10.3 %,二者的各项指标有了较大提高.3 #试样的 整体性能的提高可以说明稀土 La 对拉伸的整体性 能有利.4 #试样与 3 #试样相比抗拉强度降低了 3.1 %, 屈服 强度降 低了 0.6 %, 延伸 率降 低了 7.5 %, 说明稀土 La 加入量过大时反而使力学性能 下降 .从图 4 可以看出 , 随加入到钢中稀土量的增 加 ,钢的强度多数呈现先上升后下降的规律 .综合 图 1 ～ 4 可以得出, 在适当范围内加入稀土 La , 可提 高 5CrNiM o 钢综合力学性能 . 2.2 冲击韧性分析 在 JB-200 型冲击试验机上对回火状态试样作 冲击实验 .1 # ～ 4 #试样的冲击功分别为 34.3 , 41.7 , 46.2 和 40.6 J,可见2 # ～ 4 #试样与 1 #试样的 冲击功相比分别提高了21 %、34 %、18 %.说明在适 当范围内加入稀土 La 后 , 5CrNiMo 钢的冲击韧性 显著提高 .图 5 为选择冲击断裂部位的 1 #与 3 #冲 击试样断口在扫描电镜下观察到的形貌. 对 5CrNiMo 钢冲击断口的观察可以看出 :1 # 试样宏观断口比较齐平 , 在扫描电镜下晶粒明显粗 大 ,韧窝中存在 MnS 夹杂物且尺寸较大 ;而 3 #试样 宏观断口有剪切唇 , 亮灰色弱金属光泽 .在扫描电 镜下韧窝边缘亮度较大 , 有较多突起的撕裂棱 .韧 窝底部为细小的球形第二相粒子, 成分检测为稀土 氧硫化物 .说明在钢中加入稀土后 ,由于组织的细 化和基体内夹杂物的变质及细小, 使得钢中产生裂 纹的机会减少[ 13] ;同时裂纹扩展所需的能量增大, · 1210 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷
第12期 郭洪飞等：稀土La对5CNMo模具钢力学性能的影响 。1211。 钢的韧性得到明显改善体均.这也就验证了钢中 断口形貌由沿晶断裂向穿晶断裂过渡，在一定程度 加入稀土后，稀土能够在晶界首先偏聚，故能够改变 上提高了钢材的韧性. 晶界状态，净化晶界，使得晶界的磷偏聚大为减弱， b 10m 10μm 图5冲击试样断口形貌.(a)1b)3÷ Fig 5 Fractography of impact samples.(a1 (b)3 工程材料，1997,21(5)：49 3结论 【习郭洪飞，郝新何智慧，等.稀土La对4s℃2 NiMoVSi热作模 具钢的力学性能影响.铸造技术，2007.28(8)：1079 (1)加入不同量稀土La后的5 CrNiMo钢在相 【日牛辰梅岳英枝.稀土与钢质改善.山西冶金1998(3)：8 同热处理状态下，显微组织显著细化，成分更为均 【刀石纪定.稀土产品在现代工业中的应用.稀有金属与硬质合 匀：稀土La加入量在适当的范围内，随稀土含量的 金.1998.134：47 增加，其细化效果更为明显. 【8余宗森.稀土在钢铁中的应用.北京：治金工业出版社. (2)实验表明，在5 CrNiMo钢加入稀土La,其 1987:195 硬度变化不大而抗拉强度、屈服强度、延伸率在适 [9黄明志，石德珂，金志浩。金属力学性能。西安：西安交通大 学出版社.198671 当的范围内有显著提高. [10徐光宪.稀土.北京：治金工业出版社.2001：20 (3)本实验中得到了最佳的稀土La质量分数 【11孙小杰.稀土治炼.江西冶金.1997,17(5)：90 为0033%. 【1☑郭洪飞郝新.稀土La对3℃r2W8V热作模具钢组织和性能 的影响.铸造技术，2006,27(12)：1338 参考文献 【13到关庆丰，方建儒，姜启川，等.稀土复合变质对新型铸造热 [1]Lin Q.Ye W.Chen N.Behaviorof rare earths in ultra-sulfur mi- 锻模具钢组织与性能的影响.中国稀土学报。2002.20(3)： cmalloyed steel.J Rare Earths 1997.15(3):228 248 【☑方健儒，姜启川，韩增祥等。热作模具钢的高温热机械疲劳 【14尚利娟，葛景岩，宋长琴等.稀土元素在金属表面处理中的 寿命预测.机械强度，2002.24(4)：571 应用.沈阳工业大学学报。199820(6)：30 【习燕来生.工程材料呼和浩特：内蒙古人民出版社.2000：153 【1了田占军，严术生.稀土元素对耐磨铸铁力学性能的影响.物 【4黄小云.几种国产新型热作模具钢的力学性能与应用。机械 理测试.2005.23(4)：22 Effect of RE La element on the mechanical properties of 5CrNiMo forging die steel GUO Hongfei,HAO Xin,HE Zhihui College of Materials Science and Engineering.Inner Mongolia University of Technology.Hohhot 010051.China ABSTRACT The changes in strength,hardness and impact ductility of 5CrNiMo steel added different contents of RE La element were investigated.The 5CrNiMo steels with and without RE addition were compared after treated by the same heat treatment process.The result shows that the strength,hardness and impact ductility of 5CrNiMo steel are obviously improved when added a proper content of RE La element;the 5CrNiM o steel with RE La element of 0.033%in mass fraction has the best mechanical properties. KEY WORDS rare-earth (RE);forging die steel;mechanical properties;fractography
钢的韧性得到明显改善 [ 14-15] .这也就验证了钢中 加入稀土后,稀土能够在晶界首先偏聚 ,故能够改变 晶界状态,净化晶界, 使得晶界的磷偏聚大为减弱 , 断口形貌由沿晶断裂向穿晶断裂过渡, 在一定程度 上提高了钢材的韧性. 图 5 冲击试样断口形貌.(a)1 #;(b)3 # Fig.5 Fractography of impact samples:(a)1 #;(b)3 # 3 结论 (1)加入不同量稀土 La 后的 5CrNiMo 钢在相 同热处理状态下, 显微组织显著细化 , 成分更为均 匀;稀土 La 加入量在适当的范围内 ,随稀土含量的 增加 ,其细化效果更为明显. (2)实验表明, 在 5CrNiMo 钢加入稀土 La , 其 硬度变化不大, 而抗拉强度 、屈服强度、延伸率在适 当的范围内有显著提高. (3)本实验中得到了最佳的稀土 La 质量分数 为 0.033 %. 参 考 文 献 [ 1] Lin Q , Ye W, Chen N .Behavior of rare earths in ultra-sulfur microalloyed st eel.J Rare Earths, 1997 , 15(3):228 [ 2] 方健儒, 姜启川, 韩增祥, 等.热作模具钢的高温热机械疲劳 寿命预测.机械强度, 2002 , 24(4):571 [ 3] 燕来生.工程材料.呼和浩特:内蒙古人民出版社, 2000:153 [ 4] 黄小云.几种国产新型热作模具钢的力学性能与应用.机械 工程材料, 1997 , 21(5):49 [ 5] 郭洪飞, 郝新, 何智慧, 等.稀土 La 对 45C r2NiMoVS i 热作模 具钢的力学性能影响.铸造技术, 2007 , 28(8):1079 [ 6] 牛辰梅, 岳英枝.稀土与钢质改善.山西冶金, 1998(3):8 [ 7] 石纪定.稀土产品在现代工业中的应用.稀有金属与硬质合 金, 1998 , 134:47 [ 8] 余宗森.稀土在钢铁中的应用.北京:冶金工业出版社, 1987:195 [ 9] 黄明志, 石德珂, 金志浩.金属力学性能.西安:西安交通大 学出版社, 1986:71 [ 10] 徐光宪.稀土.北京:冶金工业出版社, 2001:20 [ 11] 孙小杰.稀土冶炼.江西冶金, 1997 , 17(5):90 [ 12] 郭洪飞, 郝新.稀土 La 对 3C r2W8V 热作模具钢组织和性能 的影响.铸造技术, 2006 , 27(12):1338 [ 13] 关庆丰, 方建儒, 姜启川, 等.稀土复合变质对新型铸造热 锻模具钢组织与性能的影响.中国稀土学报, 2002 , 20(3): 248 [ 14] 尚利娟, 葛景岩, 宋长琴, 等.稀土元素在金属表面处理中的 应用.沈阳工业大学学报, 1998 , 20(6):30 [ 15] 田占军, 严术生.稀土元素对耐磨铸铁力学性能的影响.物 理测试, 2005 , 23(4):22 Effect of RE La element on the mechanical properties of 5CrNiMo forging die steel GUO Hongfei , HAO Xin , HE Zhihui College of Mat erials S cience and Engineering , Inner Mongolia University of Technology , Hohhot 010051 , China ABSTRACT The changes in strength , hardness and impact ductility of 5CrNiMo steel added different contents of RE La element w ere investigated .The 5CrNiMo steels with and without RE addition w ere compared after treated by the same heat treatment process .The result show s that the streng th , hardness and impact ductility of 5CrNiMo steel are obviously improved w hen added a proper content of RE La element ;the 5CrNiM o steel w ith RE La element of 0.033 %in mass fractio n has the best mechanical properties . KEY WORDS rare-earth (RE);forging die steel ;mechanical properties ;fractog raphy 第 12 期 郭洪飞等:稀土 La 对 5CrNiMo 模具钢力学性能的影响 · 1211 ·