3種高Mo熱作模具鋼組織及性能對比研究

牟風

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順113001）

1 引言

近幾年，我國汽車、航空航天、重大基礎制造裝備等工業進入高速發展期，模具大型化、復雜化、精密化趨勢日益增強。隨著鋁合金在汽車發動機機組、空間框架、汽車板、輪轂等零部件上的大量應用，對模具、對材料的純凈度、組織均勻性、沖擊韌性，尤其是等向性提出了更高的要求。過去很長一段時間，這類壓鑄模具材料主要為含鉻5%系列的熱作模具鋼H11和H13，這類模具鋼實際使用中，H11鋼的塑、韌性偏高，強度、硬度比H13鋼稍低[1]，而H13鋼的塑、韌性偏低，這對于受熱嚴重的模具來說仍不能滿足使用要求。為此，近年來國內一些模具鋼生產廠家開始研發高Mo壓鑄模具鋼用以適用越來越復雜的大型壓鑄模具鋼。

撫鋼研制的FS448目前已成功應用于汽車發動機缸體、缸體水套、汽車離合器殼體等大中型復雜精密模具，成倍提高壓鑄模具的使用壽命。滿足國內高端壓鑄模用鋼需求。

2 高Mo熱作模具鋼

高Mo熱作模具鋼是在H13鋼的基礎上增加了Mo的含量，同時降低了C、Si和V的含量，使其具有均勻的組織，良好的高溫強度、良好的韌性，可用作壓鑄模、熱擠壓模、溫鍛模和其它的熱成型模具。代表鋼種對應國內牌號4Cr5Mo2V、4Cr5Mo3V，德國牌號1.2367，伯樂牌號DIEVAR。研究發現，Mo含量的提高可以增加M2C碳化物的形成驅動力，延緩MC和M2C向M23C6轉變[2]，經高溫回火析出M2C型碳化物產生二次硬化，可有效改善鋼的高溫性能，使該類鋼具有更加優良的抗熱疲勞、抗熱沖擊和抗熱磨損性能，具有更長的使用壽命。

3 研究方案

為標定國內其他廠家大尺寸高Mo類壓鑄模塊的質量水平，通過分析國內其他兩家大型特殊鋼生產企業生產的同類鋼種與撫鋼研發的FS448內部質量方面進行對比分析。

外廠兩種對比試驗鋼形貌如圖1所示，試樣原始規格及詳細信息如表1所示。試樣均取至鍛扁心部。對3種試驗鋼進行宏觀低倍組織、化學成分分析、氣體含量分析、退火硬度、夾雜物、退火組織、沖擊韌性、抗拉強度、熱處理后顯微組織等進行檢驗分析。

圖1 試片形貌

表1 試樣原始規格及詳細信息

4 研究結果與分析

（1）宏觀低倍組織。

3種試驗鋼經鹽酸和水1:1體積混合腐蝕液中進行低倍酸浸試驗，酸液溫度為70±10℃，酸浸時間為30min,按照ASTM A604-07、GB/T 1299-2014檢驗與評級（見表2）。3種試驗鋼低倍組織良好，無肉眼可見的低倍缺陷，中心疏松和錠形偏析等均滿足標準要求，如圖2所示。

表2 3種試驗鋼低倍評級

圖2 3種試驗鋼宏觀低倍組織

（2）化學成分分析。

3種試驗鋼化學成分（見表3）類似，相當于4Cr5Mo2V。雜質元素S、P含量都很低，S含量0.001%，P含量0.004~0.005%，A鋼Mo含量最高，B鋼和FS448成分接近。

表3 3種試驗鋼化學成分 %

（3）氣體含量。

通過對3種試驗鋼氣體含量（見表4）的測定，B鋼氧含量最低為10ppm，其次為FS448鋼12ppm，A鋼氧含量最高為17ppm；氮含量A最高，為183ppm，FS448鋼氮含量最低為89ppm。FS448電渣重熔采用多元渣系，并在氬氣氣氛下重熔，對氧、氮含量的控制更有優勢。

表4 3種試驗鋼氣體含量 %

（4）退火硬度。

3種試驗鋼交貨狀態組織為“球狀珠光體+碳化物”。退火硬度均在170HB左右（見表5），說明3種試驗鋼均具有優良的切削加工性能。

表5 3種試驗鋼退火硬度

（5）非金屬夾雜物。

鋼中的非金屬夾雜物能夠破壞金屬的連續性，易引起應力集中，在外界應力作用下，裂紋延伸很容易發展擴大而導致模具失效[3]。FS448鋼的冶煉采用EAF+LF+VD+氣體保護電渣重熔技術，電爐冶煉電極采用氧化法冶煉除磷，加強爐外精練的脫硫及真空脫氣；電渣重熔采用多元渣系，并在氬氣氣氛下重熔。采用以上技術可以使FS448鋼的非金屬夾雜物細小、彌散，經對比，撫鋼的FS448四類夾雜物總和為2.0級，A鋼和B鋼4類夾雜物總和為2.5級，FS448純凈度更好（見表6）。

表6 3種試驗鋼非金屬夾雜物

（6）顯微組織。

由于該類高Mo熱作模具鋼C含量并不太高，僅為0.4%左右，但合金元素總量達9%，屬過共析鋼[4]，該類鋼含有較多的Cr、Mo等碳化物形成元素，球化較H13鋼困難。撫鋼FS448采用高溫均質化處理可減少鋼中碳化物的偏析，有利于改善鋼的各向異性；同時采用多向鍛造、組織細化處理的方法可使鋼中的碳化物分布趨于均勻。

金相試樣經磨、拋后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察3種試驗鋼的退火組織（見圖3）。并根據標準NADCA 207#-2003對試驗鋼進行帶狀組織及球化組織進行評級（見表7）。3種試驗鋼帶狀組織均在可接受范圍內，球化組織A鋼和B鋼不合格，FS448鋼AS6合格，如圖4所示。

表7 3種試驗鋼退火組織評級

圖3 3種試驗鋼退火顯微組織（500x）

圖4 4種試驗鋼帶狀組織（50x）

（7）晶粒度。

經1,010℃±10℃保溫30分鐘，分級淬火至730℃±10℃保溫30分鐘，然后空冷至室溫，觀察3種試驗鋼的晶粒度，A鋼晶粒更細，為8級，B鋼和FS448為7級，如圖5所示。

圖5 3種試驗鋼的晶粒度

（8）沖擊性能。

試樣經同一熱處理制度，硬度調整到44.6~46.2HRC，進行10×10mm開V口沖擊測試和7×10mm無缺口沖擊測試。經檢測，3種試驗鋼V口沖擊均在20J以上（見圖6），滿足NADCA標準中≥19J要求。FS448鋼V口沖擊及無缺口沖擊均表現最好，V口沖擊為23.6J，無缺口沖擊值458J。

圖6 3種試驗鋼沖擊值

（9）拉伸性能。

3種試驗鋼按標準取拉伸試樣，試樣經1,030℃下保溫30min，油冷至室溫，再在600℃下回火2h，回火兩次。熱處理均在箱式電阻爐中進行。A鋼抗拉強度最高1,699N/mm2，B鋼和FS448強度相當（見表8）。

表8 3種試驗鋼力學性能

（10）熱處理后顯微組織。對3種試驗鋼淬火及兩次回火后的顯微組織進行對比分析，組織均為細小的板條狀回火馬氏體，其上分布有細小的碳化物（見圖7）。根據NADCA 207#-2003標準圖譜檢驗，3種試驗鋼熱處理后顯微組織均滿足標準要求。

圖7 3種試驗鋼600℃回火組織（淬火溫度1030℃）

5 結論

（1）通過質量對比分析，撫鋼的FS448在氣體含量、夾雜物、顯微組織及沖擊韌性方面均表現為較高的水平；拉伸性能略低；低倍組織、退火硬度、晶粒度、熱處理后顯微組織等指標與其它兩種對標鋼種質量相當。

（2）通過質量標定，了解了國內A廠和B廠同類產品的質量水平，對撫鋼FS448材料在國內有了比較準確的定位，為該類產品市場開發提供了依據。