熱作模具鋼4Cr5Mo2V鋸切異常原因分析

燕 云，牟 風，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、汽車及加工行業的快速發展，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為基礎的系列壓鑄模具用鋼。目前，從合金化成分設計的研究看，低Si高Mo的合金化設計在保持模具材料良好的熱強性的同時，又能夠提高韌性，此類合金化設計途徑是壓鑄用熱作模具鋼成分設計上的一種趨勢[1]。撫順特鋼生產的4Cr5Mo2V鋼在H13鋼的基礎上適當降低Si、V含量、提高Mo含量，在淬硬條件下具有較高的韌性，同時具有優良的抗熱裂能力，是一種強韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼，可以廣泛應用于壓鑄模、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，氬氣保護澆注，再經保護氣氛電渣重熔鋼錠；熱加工過程采用高溫均質化處理，多向鍛造，組織超細化處理技術等生產工藝。經以上工藝生產的4Cr5Mo2V鋼有效地控制鋼水中的非金屬夾雜物級別，鋼內部組織均勻，具有良好的等向性能。試驗鋼的化學成分如表1所示。

表1 4Cr5Mo2V鋼的化學成分 %

試驗材料按GB/T 10561標準檢驗非金屬夾雜物，表2為4Cr5Mo2V鋼非金屬夾雜物檢驗結果。

表2 4Cr5Mo2V鋼的純凈度

從表2可以看出，通過UHP+LF+VD冶煉電極，保護氣氛電渣重熔工藝生產的4Cr5Mo2V鋼中各類夾雜物粗系均為0級，氧化物夾雜細系為0.5級，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，需根據模具尺寸要求使用帶鋸切割。4Cr5Mo2V鋼成品模塊經橫向鋸切后，在鋸切表面可見分布不均的異常凸起點，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 硬度測試

為測試硬度，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），使用布氏硬度計在試樣上測試宏觀硬度，結果為181.5～186.4HB，4Cr5Mo2V熱作模具鋼要求退火硬度≤229HB，硬度值并無異常。隨后將試樣進行腐蝕，使用維氏硬度計進行顯微硬度測試。

圖2 硬度試樣制備

在硬度試樣上隨機選取2個異常凸起點進行維氏硬度測試，圖3顯示了維氏硬度測試點，圖中白色區域為宏觀顯示的異常凸起點，黑色區域為正常基體組織。

圖3 維氏硬度測試位置

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

表3 4Cr5Mo2V鋼維氏硬度結果

從以上硬度測試結果可以看出，由于鋼材小范圍區域硬度值異常升高，造成鋼材鋸切時硬度高的區域形成凸起狀態，而硬度正常的區域不會出現這種現象。

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320#→800#→1000#→1500#砂紙研磨，并進行金相拋光，拋光后的金相試樣經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，如圖4所示。

圖4 缺陷處顯微組織

4Cr5Mo2V鋼經過球化退火后獲得的基體組織應是球狀珠光體和彌散分布的細顆粒的合金碳化物[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，其基體上碳化物分布不均，形成深淺不同的組織形態。而宏觀凸起位置在腐蝕后呈白亮色，幾乎未出現腐蝕產物，同時周邊存在針葉狀貝氏體組織。退火態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別于正常基體組織，而異常組織的存在導致該區域硬度明顯不同，最終體現在鋼材經鋸切時出現凸起。

3.4 掃描電鏡分析

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

圖5 缺陷處掃描電鏡分析

試樣正常區域在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，呈現碳化物密集區域及碳化物稀疏區域分布。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試樣進行成分對比，如表4所示。通過能譜的結果來看，試樣正常區域的C、Mo、V稍高于缺陷區。所以，該缺陷區域排除了異金屬夾雜的可能，缺陷的成分與正常區成分基本相同[3]。

表4 缺陷區和正常區掃描能譜分析結果

通過掃描電子顯微鏡對缺陷試樣的組織和化學成分進行觀察和分析，正常組織中碳化物呈區域狀態彌散分布，析出的碳化物以Cr、Mo元素為主，同時含有部分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。

經過上述各項檢驗和分析，缺陷區實際為球化退火不良導致，因4Cr5Mo2V鋼采用等溫球化退火工藝，正常應在Ac1以上適當溫度進行奧氏體化，再隨爐冷卻到略低于Ar1的溫度進行等溫，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點，使碳化物彌散分布。但實際生產過程中，由于燃氣式退火爐局部偏溫，導致退火爐中個別區域實際溫度偏離設定溫度較大，使得鋼材在偏離Ar1較多的溫度下進行等溫，鋼中不同位置碳化物析出程度嚴重不均，個別區域碳化物未析出或呈一定位相析出，同時形成部分針葉狀貝氏體組織。最終呈現出異常的空白組織狀態及整個試樣上球化組織不均勻分布。

3.5 機械性能分析

為確定異常組織對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個試片同爐經1,025℃油冷淬火，610℃回火兩次，兩個試片的硬度調整為45～46HRC。兩個試片均沿同一方向分別切取10×10×55mm開V型口標準沖擊試樣，按GB/T229標準進行沖擊測試。沖擊值結果如表5所示。

表5 4Cr5Mo2V鋼沖擊性能

從以上沖擊測試結果可以看出，4Cr5Mo2V鋼正常橫向沖擊平均值達到23.8J，大于19J，滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協會優質H13鋼驗收標準》中超級鋼要求。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，對比正常區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沖擊性能的穩定程度存在一定的影響，但仍能滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協會優質H13鋼驗收標準》中超級鋼要求。

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行重新處理試驗，具體工藝如表6所示。

表6 缺陷試樣熱處理工藝

試樣經再次球化退火，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退火顯微組織評級圖譜評定為AS18級不合格。

圖6 經球化退火后的顯微組織

試樣經組織超細化處理+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看不到空白組織，但球化組織不均勻，部分碳化物呈網狀分布，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退火顯微組織評級圖譜評定為AS10級不合格。

試樣經正火+組織超細化處理+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完全消失，碳化物分布較為均勻，按NADCA#207-2003退火顯微組織評級圖譜評定為AS4級合格。

圖7 經組織超細化處理+球化退火后的顯微組織

圖8 經正火+組織超細化處理+球化退火后的顯微組織

通過以上熱處理實驗說明通過正火+組織超細化處理+球化退火的熱處理工藝可以完全消除4Cr5Mo2V鋼中的異常組織，顯微組織能夠達到NADCA#207-2003標準要求。

4 結論

（1）因4Cr5Mo2V鋼中存在硬度過高的異常組織導致鋸切后產生凸起，凸起位置在高倍下腐蝕后表現為空白區域，同時周邊存在針葉狀組織。由于由于燃氣式退火爐局部偏溫，導致退火爐中個別區域實際溫度偏離設定溫度較大，使得鋼材在偏離Ar1的溫度下進行等溫，鋼中不同位置碳化物析出程度嚴重不均，個別區域碳化物未析出或呈一定位相析出，同時形成部分針葉狀貝氏體組織。最終呈現出異常的空白組織狀態及整個試樣上球化組織不均勻分布。

（2）4Cr5Mo2V鋼中異常組織的存在對沖擊性能的穩定程度存在一定的影響，但仍能滿足NADCA#207-2003《北美壓鑄協會優質H13鋼驗收標準》中超級鋼要求。此異常組織可通過正火+組織超細化處理+球化退火完全消除。