鋼錠截面形狀對(duì)Cr12Mo1V1鍛制扁鋼和圓鋼的共晶碳化物影響

王繼紅，孫秀華，王 琳，康愛軍，蔡 清

撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心（遼寧撫順 113001）

1 引言

Cr12Mo1V1鋼為高碳高鉻冷作模具鋼，廣泛用于制造高精度、長(zhǎng)壽命的冷作模具，鋼中含有不均勻分布的共晶碳化物，易造成模具在鍛造或熱處理時(shí)開裂、過熱及變形，而且模具在使用過程中也易出現(xiàn)崩裂等缺陷[1]，因此，需對(duì)Cr12Mo1V1鋼的共晶碳化物不均勻度進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)合格級(jí)別有一定要求。

隨著模具形狀的大型化和復(fù)雜化，Cr12Mo1V1鋼大尺寸材料需求量增大的同時(shí)，對(duì)共晶碳化物不圴勻度的要求更加嚴(yán)格，不但合格級(jí)別加嚴(yán)，而且檢驗(yàn)位置也不局限在常規(guī)的扁鋼對(duì)角線和圓鋼直徑的1/4處，而是要求在相對(duì)于模具使用的位置進(jìn)行檢驗(yàn)。由于Cr12Mo1V1鋼的共晶碳化物隨尺寸的增大不均勻度加重[2]，所以，研究大尺寸材料的不同位置的共晶碳化物不均勻性尤為重要，并采取相應(yīng)的措施加以控制，以滿足模具的正確使用。本文對(duì)矩形截面鋼錠和八角形截面鋼錠以及鍛制的扁鋼和圓鋼的共晶碳化物進(jìn)行了研究，為實(shí)際生產(chǎn)和模具使用提供參考。

2 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分、生產(chǎn)流程、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)鋼的生產(chǎn)流程：30t EAF＋LF＋VD冶煉→模鑄4.2t矩形截面鋼錠和4t八角形截面鋼錠→鋼錠加熱→2,000t快鍛機(jī)鍛制110×460mm扁鋼和φ250mm圓鋼→鋼材退火→取片檢驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：分別沿扁鋼橫截面對(duì)角線1/4處和圓鋼橫截面直徑1/4處切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，根據(jù)GB/T14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》標(biāo)準(zhǔn)中第四評(píng)級(jí)圖對(duì)試驗(yàn)鋼的共晶碳化物不圴勻度進(jìn)行評(píng)定及分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼錠的共晶碳化物分析

Cr12Mo1V1屬萊氏體鋼，鋼錠冷凝過程中，鋼液發(fā)生共晶反應(yīng)形成魚骨狀的萊氏體沿晶界呈網(wǎng)狀凝固，鋼錠的冷凝速度越快，凝固時(shí)間越短，鋼錠的晶粒細(xì)小，則共晶碳化物網(wǎng)細(xì)小[3]。根據(jù)鋼錠凝固的平方根定律，即鋼錠凝固層厚度（S/mm）與凝固時(shí)間（t/min）的平方根成正比，公式為：S＝Kt1/2，式中K為凝固系數(shù)，一般為25mm/min1/2[4]，試驗(yàn)鋼錠的截面尺寸及按公式計(jì)算的凝固時(shí)間如表2所示。由表2可以看出，4.2t矩形截面鋼錠的截面面積與4t八角形截面鋼錠的截面面積相當(dāng)（二者截面面積比為0.98），但4.2t鋼錠的凝固時(shí)間則較短，是4t鋼錠的0.6倍。由此可見，4.2t鋼錠的晶粒要細(xì)于4t鋼錠，共晶碳化物網(wǎng)也要細(xì)于4t鋼錠，說明4.2t矩形截面鋼錠比4t八角形截面鋼錠易于獲得細(xì)的共晶碳化物網(wǎng)。

表2 試驗(yàn)鋼錠的截面尺寸及凝固時(shí)間

根據(jù)凝固理論，鋼錠分為3個(gè)晶區(qū)，即表層細(xì)小等軸晶區(qū)、中部柱狀晶區(qū)、心部粗大等軸晶區(qū)，表層細(xì)小等軸晶是由激冷導(dǎo)致，中部柱狀和心部粗大等軸晶與冷凝條件有關(guān)，如鋼液成分和溫度、鋼錠模溫度和結(jié)構(gòu)等[5]。因?yàn)樵囼?yàn)鋼錠的共晶碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀析出，所以共晶碳化物也分為3個(gè)區(qū)，即表層細(xì)小等軸網(wǎng)狀區(qū)、中部柱狀網(wǎng)狀區(qū)、心部粗大等軸網(wǎng)狀區(qū)，而且表層細(xì)小等軸網(wǎng)狀與激冷有關(guān)，中部柱狀和心部粗大等軸網(wǎng)狀與冷凝條件有關(guān)。由于試驗(yàn)的4.2t矩形截面鋼錠比4t八角形截面鋼錠的凝固時(shí)間短而易于獲得細(xì)的共晶碳化物網(wǎng)，所以4.2t矩形截面鋼錠與4t八角形截面鋼錠的共晶碳化物相比，表層細(xì)小等軸網(wǎng)狀共晶碳化物二者相當(dāng)，中部柱狀和心部粗大等軸網(wǎng)狀共晶碳化物4.2t矩形截面鋼錠細(xì)于4t八角形截面鋼錠。

3.2 扁鋼和圓鋼的共晶碳化物分析

Cr12Mo1V1鋼錠經(jīng)熱加工后，如圖1a所示的鋼錠鑄造態(tài)網(wǎng)狀共晶碳化物沿變形方向呈帶狀或網(wǎng)狀延展，變形充分時(shí)呈帶狀如圖1b所示，變形不充分時(shí)呈網(wǎng)狀如圖1c所示。試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的共晶碳化物如圖2所示，按GB/T14979-1994標(biāo)準(zhǔn)中第四評(píng)級(jí)圖評(píng)定的共晶碳化物不均勻度級(jí)別如表3所示。

表3 試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的共晶碳化物不均勻度級(jí)別

圖1 Cr12Mo1V1鋼錠鑄造態(tài)和熱加工后的共晶碳化物

圖2 試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的共晶碳化物

由圖2和表3可見，無論4.2t矩形截面鋼錠，還是4t八角形截面鋼錠，二者鍛制的圓鋼均比其扁鋼共晶碳化物不均勻度級(jí)別低0.5級(jí)；4.2t矩形截面和4t八角形截面二種鋼錠鍛制的扁鋼共晶碳化物不均勻度級(jí)別角部相當(dāng)、對(duì)角線1/4處和心部4.2t比4t鋼錠的級(jí)別低0.5級(jí)，二種鋼錠鍛制的圓鋼共晶碳化物不均勻度級(jí)別與鍛制的扁鋼相似，邊部相當(dāng)、直徑1/4處和心部4.2t比4t鋼錠的級(jí)別低0.5級(jí)。

Cr12Mo1V1鋼鍛造比可以反映共晶碳化物的變形情況，鍛造比大，共晶碳化物變形充分[6]，所以，影響試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的共晶碳化物除鋼錠的共晶碳化物外，還與鍛造比有關(guān)，鋼錠的共晶碳化物網(wǎng)細(xì)，鍛造比大，扁鋼和圓鋼易于獲得細(xì)的共晶碳化物網(wǎng)。

試驗(yàn)鋼錠及其鍛制扁鋼和圓鋼的截面示意圖如圖3所示，鍛造比如表4所示。

由圖3和表4可見，無論4.2t矩形截面鋼錠，還是4t八角形截面鋼錠，鍛制的扁鋼和圓鋼鍛造比（截面面積比）雖相當(dāng)，但截面對(duì)角線或直徑比圓鋼大于扁鋼，圓鋼約是扁鋼的2倍，所以，試驗(yàn)的扁鋼和圓鋼相比，圓鋼比扁鋼的共晶碳化物變形充分，不均勻度級(jí)別低。

圖3 試驗(yàn)鋼錠及其鍛制扁鋼和圓鋼的截面示意圖

表4 試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的鍛造比

試驗(yàn)扁鋼和圓鋼的鍛造比相當(dāng)，共晶碳化物不均勻度主要由鋼錠的共晶碳化物決定，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)鋼錠的共晶碳化物分析結(jié)果，4.2t矩形截面鋼錠與4t八角形截面鋼錠的表層細(xì)小等軸網(wǎng)狀共晶碳化物相當(dāng)，中部柱狀和心部粗大等軸網(wǎng)狀共晶碳化物4.2t鋼錠細(xì)于4t鋼錠，所以，4.2t矩形截面和4t八角形截面二種鋼錠鍛制的扁鋼（或圓鋼）共晶碳化物不均勻度相比，角部（或邊部）級(jí)別相當(dāng)、對(duì)角線（或直徑）1/4處和心部4.2t比4t鋼錠的級(jí)別低。

4 結(jié)論

（1）Cr12Mo1V1鋼4.2t矩形截面鋼錠比4t八角形截面鋼錠易于獲得細(xì)的共晶碳化物網(wǎng)，表層細(xì)小等軸網(wǎng)狀共晶碳化物二者相當(dāng)，中部柱狀和心部粗大等軸網(wǎng)狀共晶碳化物4.2t矩形截面鋼錠細(xì)于4t八角形截面鋼錠。

（2）Cr12Mo1V1鋼在鍛造比（截面面積比）相當(dāng)情況下，無論4.2t矩形截面鋼錠，還是4t八角形截面鋼錠，鍛制的圓鋼均比扁鋼的共晶碳化物變形充分，不均勻度級(jí)別低0.5級(jí)。

（3）Cr12Mo1V1鋼4.2t矩形截面和4t八角形截面二種鋼錠鍛制的扁鋼共晶碳化物不均勻度相比，角部級(jí)別相當(dāng)、對(duì)角線1/4處和心部4.2t比4t鋼錠的級(jí)別低0.5級(jí)；兩種鋼錠鍛制的圓鋼亦如此，邊部級(jí)別相當(dāng)，直徑1/4處和心部4.2t比4t鋼錠的級(jí)別低0.5級(jí)。