熱作模具鋼4Cr5Mo2V鋸切異常原因分析

燕 云，牟 風(fēng)，劉寶石，馬 野，蔡 清

撫順特殊鋼股份有限公司（遼寧撫順 113001）

1 引言

近幾年，隨著我國工業(yè)、汽車及加工行業(yè)的快速發(fā)展，壓鑄用熱作模具鋼的使用也越來越多，目前我國壓鑄模具鋼已逐步與國際接軌，形成了以1.2344、1.2343、1.2367為基礎(chǔ)的系列壓鑄模具用鋼。目前，從合金化成分設(shè)計(jì)的研究看，低Si高M(jìn)o的合金化設(shè)計(jì)在保持模具材料良好的熱強(qiáng)性的同時(shí)，又能夠提高韌性，此類合金化設(shè)計(jì)途徑是壓鑄用熱作模具鋼成分設(shè)計(jì)上的一種趨勢(shì)[1]。撫順特鋼生產(chǎn)的4Cr5Mo2V鋼在H13鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低Si、V含量、提高M(jìn)o含量，在淬硬條件下具有較高的韌性，同時(shí)具有優(yōu)良的抗熱裂能力，是一種強(qiáng)韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼，可以廣泛應(yīng)用于壓鑄模、擠壓模、熱鍛模等。

2 分析材料

熱作模具鋼4Cr5Mo2V材料冶煉過程采用UHP冶煉鋼水，LF爐外精煉，VD爐真空脫氣，氬氣保護(hù)澆注，再經(jīng)保護(hù)氣氛電渣重熔鋼錠；熱加工過程采用高溫均質(zhì)化處理，多向鍛造，組織超細(xì)化處理技術(shù)等生產(chǎn)工藝。經(jīng)以上工藝生產(chǎn)的4Cr5Mo2V鋼有效地控制鋼水中的非金屬夾雜物級(jí)別，鋼內(nèi)部組織均勻，具有良好的等向性能。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 4Cr5Mo2V鋼的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)材料按GB/T 10561標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)非金屬夾雜物，表2為4Cr5Mo2V鋼非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果。

表2 4Cr5Mo2V鋼的純凈度

從表2可以看出，通過UHP+LF+VD冶煉電極，保護(hù)氣氛電渣重熔工藝生產(chǎn)的4Cr5Mo2V鋼中各類夾雜物粗系均為0級(jí)，氧化物夾雜細(xì)系為0.5級(jí)，鋼材具有良好的純凈度。

3 缺陷分析及討論

3.1 宏觀形貌

本文研究的4Cr5Mo2V鋼成品模塊橫截面尺寸480×810mm，長度約3m，需根據(jù)模具尺寸要求使用帶鋸切割。4Cr5Mo2V鋼成品模塊經(jīng)橫向鋸切后，在鋸切表面可見分布不均的異常凸起點(diǎn)，大部分沿原材寬度方向呈帶狀分布。鋸切后的鋼材表面形貌如圖1所示。

圖1 4Cr5Mo2V鋼橫向試片形貌

3.2 硬度測(cè)試

為測(cè)試硬度，將鋼材上存在異常凸起的部分切割成約30×40mm的試樣（見圖2），使用布氏硬度計(jì)在試樣上測(cè)試宏觀硬度，結(jié)果為181.5～186.4HB，4Cr5Mo2V熱作模具鋼要求退火硬度≤229HB，硬度值并無異常。隨后將試樣進(jìn)行腐蝕，使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

圖2 硬度試樣制備

在硬度試樣上隨機(jī)選取2個(gè)異常凸起點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，圖3顯示了維氏硬度測(cè)試點(diǎn)，圖中白色區(qū)域?yàn)楹暧^顯示的異常凸起點(diǎn)，黑色區(qū)域?yàn)檎；w組織。

圖3 維氏硬度測(cè)試位置

從維氏硬度測(cè)試結(jié)果看，異常凸起點(diǎn)與正常基體硬度差別較大，凸起處硬度值達(dá)到47.8～56.3HRC，遠(yuǎn)高于基體硬度（20.7～33.0HRC）。具體硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示，單位HV0.3/HRC（HRC為換算值）。

表3 4Cr5Mo2V鋼維氏硬度結(jié)果

從以上硬度測(cè)試結(jié)果可以看出，由于鋼材小范圍區(qū)域硬度值異常升高，造成鋼材鋸切時(shí)硬度高的區(qū)域形成凸起狀態(tài)，而硬度正常的區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

3.3 顯微組織分析

為研究鋼材顯微硬度異常的原因，將試樣經(jīng)320#→800#→1000#→1500#砂紙研磨，并進(jìn)行金相拋光，拋光后的金相試樣經(jīng)5%硝酸酒精腐蝕1～2min，在金相顯微鏡50倍、100倍及500倍下觀察顯微組織形態(tài)，如圖4所示。

圖4 缺陷處顯微組織

4Cr5Mo2V鋼經(jīng)過球化退火后獲得的基體組織應(yīng)是球狀珠光體和彌散分布的細(xì)顆粒的合金碳化物[2]。但從圖4的顯微組織照片中可以明顯觀察到不同的組織形態(tài)，其基體上碳化物分布不均，形成深淺不同的組織形態(tài)。而宏觀凸起位置在腐蝕后呈白亮色，幾乎未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，同時(shí)周邊存在針葉狀貝氏體組織。退火態(tài)組織中碳化物分布極不均勻，聚集在晶界處，并且在局部地方連成鏈狀碳化物。鋼中存在未完全球化的粗大的貝氏體組織，碳化物退火過程中沿貝氏體界面析出，形成針葉狀組織。

說明鋼材中存在的異常組織明顯區(qū)別于正常基體組織，而異常組織的存在導(dǎo)致該區(qū)域硬度明顯不同，最終體現(xiàn)在鋼材經(jīng)鋸切時(shí)出現(xiàn)凸起。

3.4 掃描電鏡分析

將異常試樣通過金相試樣經(jīng)掃描電子顯微鏡（SEM）分析，在1,000倍下進(jìn)行掃描，如圖5所示。

圖5 缺陷處掃描電鏡分析

試樣正常區(qū)域在1,000倍下可觀察到分布在鐵素體基體上的碳化物，但不同基體區(qū)域上的碳化物顆粒形貌不同，在圖片上顯示為彌散顆粒狀珠光體組織及針葉狀貝氏體組織，且碳化物彌散程度不同，呈現(xiàn)碳化物密集區(qū)域及碳化物稀疏區(qū)域分布。而缺陷部位呈大的單一塊狀組織，基本無顆粒狀碳化物分布。

通過掃描電鏡能譜儀對(duì)試樣進(jìn)行成分對(duì)比，如表4所示。通過能譜的結(jié)果來看，試樣正常區(qū)域的C、Mo、V稍高于缺陷區(qū)。所以，該缺陷區(qū)域排除了異金屬夾雜的可能，缺陷的成分與正常區(qū)成分基本相同[3]。

表4 缺陷區(qū)和正常區(qū)掃描能譜分析結(jié)果

通過掃描電子顯微鏡對(duì)缺陷試樣的組織和化學(xué)成分進(jìn)行觀察和分析，正常組織中碳化物呈區(qū)域狀態(tài)彌散分布，析出的碳化物以Cr、Mo元素為主，同時(shí)含有部分V元素的合金碳化物。異常組織上幾乎沒有碳化物析出，為單一形貌。

經(jīng)過上述各項(xiàng)檢驗(yàn)和分析，缺陷區(qū)實(shí)際為球化退火不良導(dǎo)致，因4Cr5Mo2V鋼采用等溫球化退火工藝，正常應(yīng)在Ac1以上適當(dāng)溫度進(jìn)行奧氏體化，再隨爐冷卻到略低于Ar1的溫度進(jìn)行等溫，使大部分未溶入奧氏體中的碳化物，在冷卻過程中作為碳化物形核的質(zhì)點(diǎn)，使碳化物彌散分布。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于燃?xì)馐酵嘶馉t局部偏溫，導(dǎo)致退火爐中個(gè)別區(qū)域?qū)嶋H溫度偏離設(shè)定溫度較大，使得鋼材在偏離Ar1較多的溫度下進(jìn)行等溫，鋼中不同位置碳化物析出程度嚴(yán)重不均，個(gè)別區(qū)域碳化物未析出或呈一定位相析出，同時(shí)形成部分針葉狀貝氏體組織。最終呈現(xiàn)出異常的空白組織狀態(tài)及整個(gè)試樣上球化組織不均勻分布。

3.5 機(jī)械性能分析

為確定異常組織對(duì)鋼材沖擊性能的影響，在鋼材橫向截面試片上選取同一位置，分別切取存在異常凸起及正常的的試片，試片尺寸50×60×20mm。2個(gè)試片同爐經(jīng)1,025℃油冷淬火，610℃回火兩次，兩個(gè)試片的硬度調(diào)整為45～46HRC。兩個(gè)試片均沿同一方向分別切取10×10×55mm開V型口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，按GB/T229標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊測(cè)試。沖擊值結(jié)果如表5所示。

表5 4Cr5Mo2V鋼沖擊性能

從以上沖擊測(cè)試結(jié)果可以看出，4Cr5Mo2V鋼正常橫向沖擊平均值達(dá)到23.8J，大于19J，滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協(xié)會(huì)優(yōu)質(zhì)H13鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中超級(jí)鋼要求。而存在異常組織的位置橫向沖擊平均值22.9J，但沖擊值最大值與最小值之差8.4J，對(duì)比正常區(qū)域沖擊值最大值與最小值之差1.8J明顯變大。說明4Cr5Mo2V鋼中異常組織的存在對(duì)沖擊性能的穩(wěn)定程度存在一定的影響，但仍能滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協(xié)會(huì)優(yōu)質(zhì)H13鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中超級(jí)鋼要求。

3.6 異常組織的改善

為改善4Cr5Mo2V鋼中的異常組織，將異常組織試樣按不同熱處理工藝進(jìn)行重新處理試驗(yàn)，具體工藝如表6所示。

表6 缺陷試樣熱處理工藝

試樣經(jīng)再次球化退火，在金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織，如圖6所示。試樣顯微組織中的空白組織有一定減少，但未能徹底消除該種異常組織。按NADCA#207-2003退火顯微組織評(píng)級(jí)圖譜評(píng)定為AS18級(jí)不合格。

圖6 經(jīng)球化退火后的顯微組織

試樣經(jīng)組織超細(xì)化處理+球化退火，在金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織，如圖7所示。處理后的試樣顯微組織中已經(jīng)看不到空白組織，但球化組織不均勻，部分碳化物呈網(wǎng)狀分布，500倍下觀察有一部分碳化物呈一定位向平行排列，并存在呈三角形位向分布情況[4]。按NADCA#207-2003退火顯微組織評(píng)級(jí)圖譜評(píng)定為AS10級(jí)不合格。

試樣經(jīng)正火+組織超細(xì)化處理+球化退火，在金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織，如圖8所示。試樣顯微組織中空白組織已經(jīng)完全消失，碳化物分布較為均勻，按NADCA#207-2003退火顯微組織評(píng)級(jí)圖譜評(píng)定為AS4級(jí)合格。

圖7 經(jīng)組織超細(xì)化處理+球化退火后的顯微組織

圖8 經(jīng)正火+組織超細(xì)化處理+球化退火后的顯微組織

通過以上熱處理實(shí)驗(yàn)說明通過正火+組織超細(xì)化處理+球化退火的熱處理工藝可以完全消除4Cr5Mo2V鋼中的異常組織，顯微組織能夠達(dá)到NADCA#207-2003標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）因4Cr5Mo2V鋼中存在硬度過高的異常組織導(dǎo)致鋸切后產(chǎn)生凸起，凸起位置在高倍下腐蝕后表現(xiàn)為空白區(qū)域，同時(shí)周邊存在針葉狀組織。由于由于燃?xì)馐酵嘶馉t局部偏溫，導(dǎo)致退火爐中個(gè)別區(qū)域?qū)嶋H溫度偏離設(shè)定溫度較大，使得鋼材在偏離Ar1的溫度下進(jìn)行等溫，鋼中不同位置碳化物析出程度嚴(yán)重不均，個(gè)別區(qū)域碳化物未析出或呈一定位相析出，同時(shí)形成部分針葉狀貝氏體組織。最終呈現(xiàn)出異常的空白組織狀態(tài)及整個(gè)試樣上球化組織不均勻分布。

（2）4Cr5Mo2V鋼中異常組織的存在對(duì)沖擊性能的穩(wěn)定程度存在一定的影響，但仍能滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協(xié)會(huì)優(yōu)質(zhì)H13鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中超級(jí)鋼要求。此異常組織可通過正火+組織超細(xì)化處理+球化退火完全消除。