4Cr5MoSiV1鋼模塊鍛造開裂原因

張全新, 江海軍, 王春奕

(重慶鋼鐵研究所有限公司， 重慶 400084)

某公司一批模塊在進行鍛造加工時發生開裂，該批模塊的材料為4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，主要生產加工工藝過程為：φ230 mm鋼棒→下料→鐓鍛模塊→等溫球化退火→機械加工。模塊鍛造加熱溫度為1 150～1 180 ℃，保溫60 min，等溫球化退火熱處理工藝為加熱至860～890 ℃保溫2 h，降至740～760 ℃等溫4 h。為查找模塊鍛造開裂的原因，以防止產品再次出現此類問題，筆者對開裂模塊進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

宏觀觀察開裂模塊發現裂紋貫穿模塊上下表面，為避免過熱或加工硬化影響微觀組織觀察及硬度測試，采用線切割方式在模塊的鍛造開裂部位切取試樣。在裂紋尾部切取金相和硬度試樣，編號為1，2號試樣；在金相試樣附近切取化學分析試樣，編號為3號試樣，取樣示意圖如圖1所示。

圖1 取樣部位示意圖Fig.1 Diagram of sampling position

1.1 化學成分分析

采用SPECTRO LAB型直讀光譜儀和CS-206型紅外碳硫儀對3號試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。可見模塊中的銅含量明顯超過GB/T 1299-2014《工模具鋼》的技術要求，硫含量也略偏高。

1.2 金相檢驗

將1號試樣和2號試樣進行預磨、拋光后，采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡進行觀察。按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對試樣中的非金屬夾雜物進行評級，結果為A2.0，B0.5，C0.5，D1.0，未發現DS類大尺寸超寬夾雜物，如圖2所示。對1號試樣進行觀察，發現裂紋內有氧化物等填充物，裂紋附近有沿晶分布的深黃色第二相，裂紋沿第二相形成和擴展，如圖3所示。將1，2號試樣用體積分數為4%的硝酸酒精溶液進行浸蝕，在光學顯微鏡下觀察同一視場，可見試樣的基體顯微組織均為鐵素體+珠光體，1號試樣沿晶分布的第二相沒有脫落，且其顏色未發生變化，仍呈深黃色，如圖4所示。在1號試樣裂紋一側附近基體上同時還發現有貝氏體偏析區存在，該偏析區沿裂紋分布，如圖5所示。

表1 模塊的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of module (mass fraction) %

圖2 2號試樣的非金屬夾雜物形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusions in sample 2

圖3 1號試樣浸蝕前裂紋附近的第二相形貌Fig.3 Morphology of the second phase near crack of sample 1 before etching

圖4 1號試樣浸蝕后裂紋附近的第二相形貌Fig.4 Morphology of the second phase near crack of sample 1 after etching

圖5 1號試樣裂紋附近的組織偏析形貌Fig.5 Morphology of structure segregation near crack of sample 1

1.3 硬度測試

依據GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，使用HR-150A型洛氏硬度計對1號試樣的不同部位進行硬度測試，結果如表2所示。可見裂紋邊緣的硬度低于基體的，而偏析區域的硬度明顯高于基體的。

表2 1號試樣的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of sample 1

1.4 能譜分析

圖6 1號試樣基體的能譜分析位置及結果Fig.6 Energy spectrum analysis position and results on the body of sample 1

圖7 1號試樣晶界第二相的能譜分析位置及結果Fig.7 Energy spectrum analysis position and results of the second phase at grain boundary of sample 1

為了確定模塊裂紋附近沿晶分布的第二相的物質成分和類型，采用ZEISS EVO18型掃描電鏡附帶的能譜儀分別對1號試樣的基體組織和晶界第二相進行了成分分析，結果如圖6和圖7所示。可見基體主要元素含量基本符合GB/T 1299—2014對4Cr5MoSiV1模具鋼的化學成分要求，沿晶分布的第二相主要成分為銅，除此之外還含有一定量的氧、鎳等元素。

2 分析與討論

熱作模具是在高溫下通過沖擊壓力迫使金屬成型的模具，模具在工作時需要承受很高的應力和沖擊負荷，模具鋼應具有較均勻的組織和性能[1]，4Cr5MoSiV1鋼是較常用的模具鋼，國外相近牌號為H13。原材料的質量、熱加工、熱處理等都是決定模具質量的重要因素，在適宜的生產工藝條件下，4Cr5MoSiV1熱鍛模具鋼具有良好的使用性能和加工性能[2]。

從開裂模塊的化學成分來看，殘余銅元素的含量明顯超過GB/T 1299—2014的技術要求，質量分數達到0.31%，同時鋼中硫元素含量略偏高，銅是低熔點金屬元素，而硫是易偏析的雜質元素；金相檢驗發現A類夾雜物(硫化物)含量和級別較高，達到2.0級。裂紋附近發現有沿晶分布的深黃色第二相，在浸蝕后未脫落，顏色未發生變化，結合模塊基體和晶界第二相的能譜對比分析結果可知，模塊基體成分基本符合GB/T 1299—2014對4Cr5MoSiV1鋼的技術要求，而晶界第二相的銅元素含量很高，因此可以確定此第二相即為富銅相，由于富銅相耐蝕性較強，在浸蝕時不易受到腐蝕而呈深黃色。由于銅的熔點較低(1 083 ℃)，低于4Cr5MoSiV1鋼通常的鍛造加熱溫度(1 150～1 180 ℃)，因此在鍛造加熱時晶界上分布的富銅相已呈熔融狀態，在鍛造應力作用下此薄弱環節很容易沿著低熔點富銅相形成裂紋[3]，一般稱之為“銅脆”。裂紋區域的富銅相來源一般有兩種途徑，一是原材料，即冶煉鋼所用的原材料含銅或者廢鋼中帶入銅；二是鍛造加熱爐加熱過銅件而使其殘留的銅向鋼材表面滲透，使得鋼材表面或局部區域的銅元素含量偏高，從而在鍛造時導致開裂。一般來講，鋼中銅的質量分數超過0.20%時，就易產生“銅脆”現象，鋼中銅含量越高，則“銅脆”現象越明顯[4]。同時，鋼中雜質硫元素也會促進“銅脆”現象的發生，當鋼中硫的質量分數超過0.03%時，銅和硫結合成熔點更低的共晶體，“銅脆”更為加劇。隨著“銅脆”而出現的粗大裂紋在機械加工中無法去除時，鋼材只能報廢。除此之外，由于雜質硫元素的易偏析特性，使模塊的顯微組織中出現了沿裂紋分布的貝氏體偏析區，這種組織形態的偏析，實際上就是化學成分的偏析[5]。對1號試樣不同區域的硬度測試更證明了這一點，裂紋處由于富銅相的存在，其硬度相對基體要低，而附近的偏析區域由于形成了非平衡組織貝氏體，因此其硬度明顯高于基體珠光體的。化學成分偏析必然促使顯微組織的偏析，裂紋邊緣形成的貝氏體即為組織偏析。組織偏析不僅破壞了基體的連續性，還增加了鋼材的各向異性，使裂紋更容易沿著偏析區擴展[6]。

3 結論及建議

(1) 4Cr5MoSiV1鋼模塊中的殘余銅元素和雜質硫元素含量偏高，使得模塊中形成低熔點富銅相，產生“銅脆”現象，同時由于較高的雜質元素促使組織偏析，破壞了鋼材基體的連續性，模塊在高溫鍛造時沿著富銅相和偏析區發生了開裂。

(2) 建議在鋼的冶煉方面應提高原材料的冶金質量，嚴格控制冶煉爐料中殘余銅元素的含量，確保4Cr5MoSiV1鋼的殘余銅元素的質量分數控制在0.2%以下，同時對鋼中的硫、磷等雜質元素，特別是有害雜質元素硫的含量進行控制，避免硫和銅形成低熔點共晶而加大“銅脆”傾向；另外，4Cr5MoSiV1鋼模塊在熱加工或熱處理時，應避免與含銅件或含銅不銹鋼同爐處理，并及時對鍛造加熱爐或熱處理爐進行清理，防止外來銅元素滲入污染鋼模塊而導致“銅脆”現象的發生。