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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。本文通过对经氮合金化的Dievar和8Cr3两种模具钢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。借助热膨胀相变仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、三维原子探针(3DAP)等测试分析设备系统地研究了氮在Cr-Mo-V热作模具钢中的溶解析出行为及作用机制。主要得出了以下结论:(1)微量氮的加入可使Dievar钢中显著增加MC型碳化物的析出量和溶解温度,而加入到8Cr3钢中则会生成氮化物CrN,同样提升M7C3型碳化物的溶解温度。氮在Dievar和8Cr3两种系列的钢中均能增加淬火未溶碳化物的数量及其稳定性,提升晶粒发生粗化的温度,起到显著的细化晶粒作用,而对两种钢回火组织中的残余奥氏体含量影响较小。在常规热处理工艺下,微量氮能同时提高Dievar模具钢的硬度和韧性,而在8Cr3钢中由于未溶碳化物数量多、尺寸大,对韧性损害较大。(2)相较于无氮钢,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。并且淬火温度越高,组织热稳定性越强。当淬火温度在1060℃～1080℃时,能够在不损失韧性的基础上获得硬度和热稳定性均显著优于无氮钢的性能。(3)微量的氮可以显著细化Dievar钢的球化组织,含氮钢中未溶解的V(C,N)可以作为Cr23C6碳化物的形核核心,促进Cr23C6碳化物的细化。微量的氮增加了未溶V(C,N)碳化物的数量和稳定性,增强了细化原始奥氏体组织的能力,加氮后细化原始奥氏体组织的能力是无氮钢的5.8倍。在回火过程中,决定含氮钢的热稳定性能是否优于无氮钢的本质因素是纳米级碳化物中的钒和氮。当淬火后未溶解的钒元素过多时,就会导致回火稳定性的下降。淬火温度为1060℃时,含氮钢的回火碳化物粗化能力明显减弱,与基体的共格关系更好。两种钢600℃(4h)的回火组织中都以亚稳态的纳米级M3C碳化物为主,含氮钢中的N和Mo元素都高于无氮钢,而V元素低于无氮钢。随着回火时间延长到8h,M3C将向M(C,N)和M23C6等稳态碳化物转变。(4)热作模具钢中的MC,M23C6,M6C等碳化物均能掺杂氮原子,氮的掺杂加强了原子与原子之间的共价键强度,使析出物更加稳定。微量的氮能对模具钢中MC、M3C和M7C3型碳化物热稳定性的影响显著程度很高。氮对未溶碳化物的稳定性不仅与氮的绝对含量有关,还与氮碳比有关,氮碳比越高,未溶碳化物的稳定性越高。(5)针对含钒热作模具钢,淬火状态下大部分氮以V(C,N)形式存在,在回火过程中重新回溶入基体,发生碳氮置换反应,置换方向沿着(200)M(C,N)//(110)α进行。细晶强化和沉淀强化是模具钢的主要强化方式,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。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,圆整度高的未溶碳化物,在细化晶粒的同时,对韧性造成的损失较小,是一种很好的合金化思路。同时,通过适当提升淬火温度,保证合金元素充分固溶,可提高模具钢的热稳定性。