添加Co和Ni對4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼抗粘模和沖刷性能的影響

黃澤軍 計 杰 張恒華 吳曉春

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

鋁合金壓鑄是一種效率很高的鑄造成型工藝，壓鑄過程快速且復雜。高溫鋁液(約700 ℃)在高壓下被快速壓射進入型腔，由于壓鑄是一個循環往復過程，模具表面反復受到高溫鋁液的沖刷腐蝕[1]。隨著壓鑄模次的增加，模具鋼表面受到鋁液的沖刷愈加嚴重，形成腐蝕坑和裂紋溝壑，為熱疲勞裂紋的形成提供了可能。此外，高溫鋁液還會與模具表面發生化學反應，形成Fe/Al金屬間化合物粘附在模具表面，使鑄件成型頂出后有少量鋁粘在表面，形成粘模現象[2]；由于該物相比較脆，在后續的鋁液沖刷下可能會脫落，導致基體表面出現點坑，而點坑為更嚴重的粘模現象提供了可能，形成一種“粘模—沖刷脫落—再次粘模”的形式，從而導致模具使用壽命縮短，因此提高模具的抗鋁液粘模和沖刷性能尤為重要。4Cr5Mo2V鋼是目前應用較為廣泛的一種壓鑄模具鋼，性能優異。相關研究[3-4]均表明Co和Ni元素能夠提升熱作模具鋼的高溫性能。

傳統的壓鑄模具鋼熱疲勞和熱損傷試驗基本采用模擬試驗，如鋁液浸潤試驗和感應線圈加熱試驗等，無法真實反映模具鋼在壓鑄過程中的服役情況。本文使用500 t臥式冷室壓鑄機進行鋁合金壓鑄試驗，研究了Co、Ni的添加對4Cr5Mo2V鋼抗鋁液粘模和沖刷性能的影響，以期為壓鑄模具的選材提供一定指導。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用4Cr5Mo2V、4Cr5Mo2V+Ni和4Cr5Mo2V+Co 3種熱作模具鋼，化學成分如表1所示。壓鑄試驗采用ADC12鑄造鋁合金，其化學成分如表2所示。

表1 壓鑄模具鋼的化學成分(質量分數) Table 1 Chemical compositions of the die-casting die steels(mass fraction) %

表2 ADC12鋁合金的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of the ADC12 aluminum alloy(mass fraction) %

將退火態的試驗鋼加工成如圖1(a)所示的試樣，經過1 050 ℃真空氣淬，600 ℃×2 h兩次回火后空冷，然后按圖1(b)所示位置安裝在模具定模凹槽內。上兩塊為4Cr5Mo2V鋼，下兩塊分別為4Cr5Mo2V+Co和4Cr5Mo2V+Ni鋼。為了使4塊模具鋼的服役條件相同，每壓鑄500模次后上下模塊互換位置，避免因充型速度不同而導致的試驗結果差異。

圖1 模具鋼試樣尺寸(a)和安裝圖(b)Fig.1 Dimension(a) and installation diagram(b) of the die steel sample

使用500 t臥式冷室壓鑄機進行壓鑄試驗，分別在壓鑄1 000、1 500和2 000次數時取下模具鋼，然后在金相顯微鏡、體視顯微鏡和超景深顯微鏡下觀察鋼試樣表面粘模情況以及沖刷程度變化，并在每壓鑄200模次時使用肖氏硬度計測量表面硬度。鋁合金液溫度為800 ℃，壓射比壓為50 MPa。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為3種模具鋼壓鑄前的顯微組織，均由回火馬氏體+彌散分布的碳化物和少量殘留奧氏體組成[5-10]。

圖2 3種模具鋼壓鑄前的顯微組織Fig.2 Microstructures of the three die steels before die casting

2.2 宏觀形貌

圖3和圖4分別為3種模具鋼模具壓鑄1 000和2 000模次后的表面宏觀形貌，中間矩形區為鋁液沖刷區，即鑄件成型區。可以觀察到3種鋼的表面都出現了粘模現象，且未添加Co和Ni的4Cr5Mo2V鋼的粘模現象最嚴重。壓鑄2 000模次的粘模現象明顯比壓鑄1 000模次的更嚴重。粘模主要原因是在壓鑄過程中，高溫鋁液與模具鋼表面發生化學反應，生成鐵鋁金屬間化合物粘附在模具鋼表面，阻礙脫模劑噴涂到表面，在后續鋁液接觸下，粘模愈加嚴重；直至鑄件頂出時，粘模區會粘住鑄件表面，嚴重時將鑄件的一片分支粘在模具鋼表面，需人工將其取下。

圖3 3種模具鋼壓鑄1 000模次后的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearances of the three die steels after 1 000 cycles of die casting

圖4 3種模具鋼壓鑄2 000模次后的宏觀形貌Fig.4 Macroscopic appearances of the three die steels after 2 000 cycles of die casting

圖5為4Cr5Mo2V鋼模具壓鑄2 000模次后的整塊粘模形貌，加入Co和Ni的鋼表面沒有出現整塊粘模現象。模具鋼在鋁液的反復沖刷下表面會出現熱軟化現象，而Co和Ni都是非碳化物形成元素，能夠強化基體中的鐵素體，提高模具鋼的高溫性能，使鋼在壓鑄過程中的抗熱軟化性能提高，所以添加Co和Ni的4Cr5Mo2V鋼的粘模現象減輕，抗沖刷性能有所提高。此外，4Cr5Mo2V+Co鋼的粘模現象最輕，說明Co的作用大于Ni。

圖5 整塊粘模現象Fig.5 Phenomenon of the whole block sticking-to-die

從圖3和圖4還可以觀察到粘模基本集中在模具表面的一側，這一側靠近模具內澆口，鋁液沖刷最嚴重，因此粘模現象最嚴重。圖6為壓鑄件表面的局部放大圖，可見靠近內澆口的區域鋁液沖刷最劇烈，這與模具表面嚴重粘模區相對應，而遠離內澆口的一側粘模明顯較少，鑄件成型也較好。

圖6 壓鑄件局部放大圖Fig.6 Patially enlarged view of die cast part

2.3 體視形貌

圖7為3種模具鋼模具壓鑄1 500模次后靠近內澆口及遠離內澆口處的體視顯微鏡形貌。從圖7(a～c)可以看出，模具鋼靠近內澆口處由于受到鋁液的沖刷最劇烈，表面留下了明顯的橫向沖刷坑，粘模也最嚴重，呈塊狀粘模，而加入Co的鋼表面則較為整潔。此外，模具鋼靠近內澆口處的邊緣由于長期受到高溫鋁液的劇烈沖刷，已經變得凹凸不平，4Cr5Mo2V鋼最明顯，粘模最嚴重，4Cr5Mo2V+Ni鋼則略有改善，4Cr5Mo2V+Co鋼最平整、整潔。從圖7(d～f)可以看出，模具鋼遠離內澆口處由于受到鋁液的沖刷較輕微，表面粘模明顯減少，邊緣也較為平整，加入Co的鋼的表面最平整、整潔。

圖7 3種模具鋼壓鑄1 500模次后的體視顯微鏡形貌Fig.7 Stereomicroscope morphologies of the three die steels after 1 500 cycles of die casting

2.4 超景深形貌

圖8為3種模具鋼分別模具壓鑄1 000、1 500及2 000模次后的超景深形貌。隨著壓鑄模次的增加，粘模現象逐漸加重，4Cr5Mo2V鋼的粘模最明顯。添加Ni和Co的4Cr5Mo2V鋼的粘模現象明顯減輕，且Co的作用更明顯。從圖8(a)可以看到，4Cr5Mo2V鋼表面有不均勻的塊狀或帶狀白色區域，為粘著的鋁，而且出現了點坑。點坑的形成原因是高溫鋁液進入型腔接觸模具鋼表面，與基體發生化學反應生成FexAlx化合物附著在模具鋼表面，由于其比較脆，在后續的鋁液沖刷下可能會脫落，導致基體表面出現點坑，點坑為粘模的發生提供了可能。

從圖8(a,d,g)可以觀察到，隨著壓鑄模次的增加，4Cr5Mo2V鋼表面的粘模現象逐漸加重，從不規則分布的塊狀或條狀白色區域發展成區域性的大面積粘模。4Cr5Mo2V+Ni鋼在壓鑄2 000模次后也出現了少量的白色斑狀粘模，而4Cr5Mo2V+Co鋼在壓鑄2000模次后表面仍比較整潔，沒有明顯的白色粘模斑點。這是因為Co和Ni的添加提高了模具鋼的高溫性能[11-12]，使其在高溫鋁液的沖刷下不易出現熱軟化現象[13]，因此粘模現象較輕。

圖8 3種模具鋼壓鑄不同模次后的超景深形貌Fig.8 Ultra-depth morphologies of the three die steels after different cycles of die casting

2.5 硬度

圖9為3種模具鋼表面硬度隨壓鑄模次增加的變化趨勢，可以看出4Cr5Mo2V鋼的初始硬度略高，但隨著壓鑄模次的增加，其表面硬度快速下降，壓鑄1 000模次時已低于其他2種模具鋼。4Cr5Mo2V+Ni和4Cr5Mo2V+Co鋼的硬度下降較為緩慢，且4Cr5Mo2V+Co鋼的硬度下降最為緩慢。

圖9 3種模具鋼表面硬度隨壓鑄模數的變化Fig.9 Variation of surface hardness of the three die steels with die casting cycle

模具鋼受到高溫鋁液的不斷沖刷，相當于經歷不斷的回火過程。潘春旭等[14]研究發現，Cr-Mo-V鋼在高溫回火過程中，馬氏體不斷分解，二次碳化物粗化，導致鋼的硬度下降。左鵬鵬等[15]研究指出，Co和Ni能置換Fe原子對基體產生固溶強化作用，提升模具鋼的高溫性能，因此加入Co和Ni的4Cr5Mo2V鋼的硬度下降較為緩慢。王劍星[16]研究發現，Co和Ni能促進奧氏體化過程中的碳化物溶解，提高奧氏體穩定性，增加殘留奧氏體量，提高馬氏體硬度。此外，Ni元素在回火過程中會富集在碳化物周圍，阻礙碳化物周圍鐵素體中碳原子的擴散，從而提高碳化物的粗化激活能，阻礙碳化物長大[15-16]；Co元素在回火過程中能促進Mo的碳化物析出，起到沉淀強化作用[17-18]。因此Co和Ni的添加都提高了4Cr5Mo2V鋼的高溫性能，使其在高溫鋁液壓鑄過程中表面硬度下降減緩，提高了模具鋼的使用壽命。

3 結論

(1)隨著壓鑄模次的增加，3種模具鋼的表面粘模現象都越來越嚴重，且4Cr5Mo2V鋼表面的粘模現象最明顯，甚至出現了整體粘模現象。Co和Ni元素的添加減輕了粘模現象，并且Co的作用大于Ni。

(2)模具鋼靠近內澆口處受到的鋁液沖刷較為劇烈，4Cr5Mo2V鋼的邊緣沖刷痕跡最明顯，凹凸不平，4Cr5Mo2V+Ni鋼的邊緣也有輕微的沖刷凹陷，4Cr5Mo2V+Co鋼的邊緣較為平整，表面也較為整潔，說明Co元素提升4Cr5Mo2V鋼的抗粘模和沖刷性能的作用最明顯。

(3)隨著壓鑄模次的增加，模具鋼表面硬度逐漸下降。4Cr5Mo2V鋼表面硬度下降較快，壓鑄1 000模次時硬度已低于其他2種模具鋼。Co和Ni的添加減緩了模具鋼表面硬度的下降，Co的作用更明顯，因此Co元素提升模具鋼高溫性能的作用比Ni更明顯。