微氮合金化高硬度长寿命热作模具钢强韧化机制及工艺调控

The beneficial effect of nitrogen in stainless steel has been recognized. The applicant proposed a new method of alloyed nitrogen in die steel. It is found that the micro-alloyed H13 die steel with nitrogen meets the toughness requirement of superior grade in NADCA#207-2003, and furthermore, its hardness increased about 3HRC in previous research. This project will study the mechanism of refinement of microstructure and solid solution hardening in Cr-Mo-V die steels due to nitrogen alloying through the SEM, TEM, EPMA, XRD and other means. And the aim of the project is to reveal the scientific principles of life extension of die steel after nitrogen alloying. The research content includes: 1) thermodynamics calculation and analysis about precipitation and dissolution of nitrogen during annealing, quenching, tempering process; 2) mechanisms of inhibiting austenite grains growth due to the insoluble nitride during the austenitizing process and precipitates refining due to the mutual replacement of nitrogen and carbon during the tempering process; 3) mechanism of strengthening and hardening caused by the lattice distortion in the martensitic matrix after solid solution of nitrogen; 4) the optimal chemical compositions which promotes precipitation of V and inhibits precipitation of Cr, based on the different molar free energies of carbon, nitrogen combined with V, Cr, Mo respectively, 5) the optimal processing and control.

氮在不锈钢中的有益作用已被人们认识。申请人提出一种模具钢微氮合金化的新方法，并发现加氮H13模具钢不仅韧性达到北美NADCA#207-2003标准中的特优级，并且硬度提高2~3HRC。本项目拟通过SEM、TEM、EPMA、XRD等手段，研究N在Cr-Mo-V型模具钢中细化组织及析出相，并起到固溶硬化作用的微观机理，以期探明N在模具钢中的强韧化机制，揭示其延长模具寿命的科学原理。内容包括：1）N在模具钢的等温球化退火、淬火、回火热处理过程中的溶解、析出热力学原理及分析计算；2）难溶氮化物在奥氏体化过程中抑制晶粒长大的作用以及C、N在回火过程中相互置换并因此细化颗粒状析出物的机理；3）N原子固溶后在马氏体基体中引起晶格点阵畸变，从而提高钢强度、硬度的微观机理；4）根据C、N与V、Cr、Mo结合的不同摩尔自由能，研究促进V析出物、抑制Cr析出物的最佳合金配比；5）研究最佳工艺控制方法。

目前，氮在不锈钢中的应用及微观作用机理已得到广泛报道，其在模具钢中的应用和作用机理研究很少。课题组结合氮的作用机理，提出在Cr-Mo-V系模具钢中添加氮元素，从而提高其硬度并保证良好韧性的合金化思路。本文通过对不同成分类型的氮合金化模具钢（Dievar, 8Cr3, H21）进行组织性能测试以及工艺优化试验，验证了模具钢微氮合金化思路的合理性。借助SEM、TEM、XRD、3DAP、DSC等测试分析设备系统研究了含氮模具钢不同热处理阶段的组织转变特征及氮的溶解析出行为和作用机制，主要取得以下进展：.（1）探明了氮对不同成分模具钢组织性能的影响机制，掌握了氮改善模具钢的本质原因及适用范围。微量氮合金化能充分利用Cr-Mo-V模具钢中的钒元素，生成的细小弥散的未溶碳化物，在细化晶粒的同时，对韧性造成的损失较小。 .（2）探明了以碳氮化物形式存在于Cr-Mo-V系模具钢中的氮在球化退火、高温淬火及回火过程中对晶粒尺寸和碳化物的影响机制，获得微氮合金化对细化淬火马氏体组织、改善模具钢硬度及回火稳定性的本质原因。经氮合金化的Dievar钢可以在更宽泛的淬火温度范围（1030℃~1100℃）内获得符合要求的性能。.（3）分析了氮原子在热作模具钢的存在形式以及对碳化物稳定性的影响，探明淬火和回火过程中氮在未溶碳化物和基体之间的迁移机制。.（4）掌握微氮合金化Cr-Mo-V系模具钢强韧化机制，探明适合该钢种的热处理工艺改进方向。微量氮的加入主要是通过增强细晶强化和沉淀强化水平来提升模具钢的综合性能。适当提升含氮模具钢的淬火温度，可显著提高模具钢的硬度和热稳定性，并不损失韧性。.该项目研究结果有利于理解氮在热作模具钢热处理过程中的作用机制，基本解释了钢中添加微量氮后造成钢热稳定性下降的根本原因，同时提出了含氮模具钢热处理工艺改进方向，为氮在模具钢中的应用提供理论基础。