氮含量对热作模具钢4Cr5Mo2V热疲劳

4Cr5Mo2V钢是在H13钢基础上开发的新一代热作模具钢，其在热强性、韧性、抗回火软化性能及热疲劳性能等方面表现优异，满足了当前模具制造业对大型压铸模、热锻模、热挤压模材料的需求。通过对实际应用中不同氮含量的热作模具使用性能的统计分析，发现氮含量较高的热作模具钢性能较含量低的差，而国内外在氮含量对热作模具钢方面的研究甚少。因此，本课题以4Cr5Mo2V热作模具钢为研究对象，从裂纹的萌生、扩展过程，并结合截面硬度梯度及损伤因子，对比分析了氮含量对其热疲劳性能的影响，为模具钢生产企业提供热作模具钢氮含量的控制方向。
试验材料为某特钢厂采用先进冶炼技术，并结合多向锻造、高温扩散处理及超细化处理等制造工艺生产的3块热作模具钢4Cr5Mo2V模块，3块试验钢合金成分保持基本一致，并具有极高的纯净度、致密度，较低的硫、磷及氧、氢含量，仅将氮含量调整为3个不同水平，具体成分见表1。分别从含量为0.0044、0.008和0.0105%的4Cr5Mo2V钢上线切割切取试样3组。将所有试样在1030℃保温30min后油淬，然后在600～610℃回火两次，每次2h，将硬度提高到46.5～47.5HRC。加工成热疲劳试样。
表1  4Cr5Mo2V试验钢的硫、磷、氧、氢、氮含量（质量分数，%）
编号SP气体元素含量
T.OHN
1号0.00280.00490.001000.000020.0044
2号0.00300.00490.001040.000020.0080
3号0.00300.00500.001070.000020.0105

根据GB/T 15824-2008并结合本课题组自主搭建的自约束冷热疲劳试验设备进行热疲劳试验。热循环方式：25～700℃，加热时间为4.5s，冷却时间8.6s，加热与冷却时间间隔均为0.5s，冷却介质为自来水。
分别对3组试样进行100、300、400、1000、2000、3000次热疲劳试验。试验结束后，对试样进行处理，结合变倍体视显微镜观察并拍摄表面或截面裂纹形貌、采用高分辨扫描电镜观察热疲劳试样表面和心部的微观组织、采用显微硬度计测量热疲劳试样截面硬度梯度的变化及热疲劳损伤因子计算机辅助分析软件对3组试样的热疲劳损伤程度进行评价。
    结果表明：随着热疲劳循环次数的增加，与氮质量分数为0.0044%和0.0080%的 4Cr5Mo2V钢试样相比，氮含量为0.0105%的试样的热疲劳裂纹更早萌生；3000次循环后，该试样的表面硬度下降幅度最大，抗回火软化能力最弱；且热疲劳损伤因子最大，热疲劳性能最差。因此，减少氮含量有利于提高4Cr5Mo2V热作模具钢的热疲劳性能，大大延长热作模具使用寿命。