高硼冷作工具钢二次硬化合金化策略的对比研究：从钨钒协同到硅锰调控

这篇综述系统探讨了高硼冷作工具钢(HBTS)中合金元素(W、V、Si、Mn)对二次硬化行为的影响机制。研究通过铸造-锻造-热处理联用技术，结合原子探针断层扫描(APT)和电子显微分析，揭示了钒(VC)碳化物沉淀对硬度提升的关键作用，证实硅(Si)通过抑制M3(C,B)碳硼化物形成优化基体潜力(matrix potential)，为开发耐高温加工工具钢提供了新思路。

　　

研究背景与技术挑战

冷作工具钢(CWS)在≤250°C工况下的性能取决于马氏体基体与硬质碳化物的协同作用。传统高铬钢依赖M₇C₃型碳化物，而高硼工具钢(HBTS)通过M₂B型硼化物实现性能突破。但高温应用场景要求材料具备二次硬化能力，即通过回火过程中析出纳米碳化物(如VC、M₂₃(C,B)₆)提升硬度。本研究聚焦合金元素对HBTS回火行为的调控机制。

实验设计与方法创新

采用真空感应熔炼制备Fe-0.4C-1B-2.5Cr基合金，变量包括：

• 难熔元素：W(2-9wt%)、V(1-3wt%)

• 非碳化物形成元素：Si/Mn(0.5-1wt%)

  通过锻造破碎共晶网络，经1100°C奥氏体化+水淬后，在100-650°C区间进行2小时回火。结合WDS测定基体碳含量，APT解析纳米沉淀相化学组成。

钨元素的局限性发现

9W合金中W优先形成(Fe,W)₂₃(B,C)₆共晶相（B含量达17.8at%），但APT显示回火碳化物中W含量仅0.3at%。尽管基体碳保留0.26-0.39wt%，回火硬度曲线表明W对二次硬化贡献微弱。2W合金在500°C出现的硬度峰源于Cr₂₃C₆析出，而非预期W₂C。

钒元素的关键作用机制

1.5V合金表现出最优二次硬化特性：

• 基体保留0.35wt%C和1.25wt%V

• 600°C回火后硬度达650HV₁₀，较基准合金提升175HV

  APT直接观测到5-10nm的VC团簇（V/C>4at%），其蠕虫状形貌暗示沿位错析出特征。值得注意的是，3V合金因碳耗尽未能进一步增效，证实1.5wt%为最佳钒添加量。

硅锰的协同调控效应

1Si合金通过双重机制提升性能：

1. 完全抑制软质M₃(C,B)相形成，使基体碳增至0.3wt%

2. 促进低温回火时ε-碳化物(Fe_2.3C)弥散析出

   Mn则主要发挥固溶强化，1Mn合金在200°C以下硬度提升显著。二者联用使回火硬度峰向低温偏移50°C，反映Si加速碳活化的特性。

工业应用启示

研究突破传统高碳高合金设计思路，证明：

• 钒优先于钨作为二次硬化元素

• 硅添加可突破B/C比限制，允许更高碳含量设计

• 锻造态与铸态回火行为具有可转换性，为小试样品开发提供依据

  该成果为开发低成本、耐350-600°C工况的模具钢奠定理论基础，特别适用于物理气相沉积(PVD)涂层工具等高温应用场景。