鈷和鎳對4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼抗熱損傷性能的影響

張 宇 黃澤軍 張恒華 吳曉春

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

鋁合金壓鑄是一種復雜的高溫高壓工藝，影響鋁合金壓鑄模抗熱損傷(包括熱疲勞、熱熔損)性能的因素很多，其中熱作模具鋼的成分尤為重要[1]。正常情況下，壓鑄模因開裂和塑性變形等導致的失效是可以避免的。模具開裂通常是偶然的機械超載或熱超載，產(chǎn)生嚴重的應力集中所致。壓鑄模早期熱疲勞龜裂和焊合熔損(表面熱損傷)是主要的失效形式，二者往往是相互影響的。4Cr5Mo2V鋼是目前應用廣泛的熱作模具鋼，具有良好的耐磨性和抗塑性變形性能[2- 4]。鈷和鎳是常用的合金元素，能有效提升鋼的強度、硬度[5- 6]，對抗熱損傷有一定的作用，所以研究4Cr5Mo2V鋼、含1%Ni及含1%Co(質(zhì)量分數(shù)，下同)的4Cr5Mo2V鋼的抗鋁液損傷性能對指導實際生產(chǎn)有較大的意義。

然而，目前研究壓鑄模具鋼熱損傷的方法多為模擬加熱與冷卻，模具鋼試樣并不直接接觸鋁液，沒有涉及鋁液的沖刷作用，如對模具鋼試樣直接進行感應加熱等[7- 8]。本文制備了3種成分的模具鋼試塊，并鑲嵌在壓鑄模中進行了ADC12鋁合金的壓鑄試驗，研究了在高溫高壓鋁液沖刷加熱與脫模劑噴涂冷卻的復合條件下試塊的抗鋁液損傷性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

4Cr5Mo2V鋼、含1%Ni的4Cr5Mo2V鋼(以下簡稱為4Cr5Mo2V+Ni鋼)和含1%Co的4Cr5Mo2V鋼(以下簡稱為4Cr5Mo2V+Co鋼)的化學成分如表1所示，試驗用ADC12鑄造鋁合金的化學成分如表2所示。

表1 試驗用壓鑄模具鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the investigated die- casting die steels(mass fraction) %

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

1.2 試驗方法

將退火態(tài)的4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼及4Cr5Mo2V+Co鋼加工成如圖1所示的試塊，真空氣淬后兩次回火，硬度約為47 HRC，精磨除去氧化皮。

圖1 鑲嵌于定模中的試塊的尺寸圖Fig.1 Dimension drawing of the test block inserted in a cover die

將試塊分組編號鑲嵌于定模的凹槽中，壓鑄鋁合金的型腔設置在動模中，如圖2所示。采用500 t 臥式冷室壓鑄機和自行設計的模具進行ADC12鋁合金薄板的壓鑄試驗，鋁合金重復使用。鋁液溫度較高，為800 ℃，以便加速試驗 (一般ADC12鋁合金的壓鑄溫度為(650±20) ℃)。由于鋁液溫度為800 ℃，未達到Fe- Al金屬間化合物的熔點，所以生成的化合物脫落后將以雜質(zhì)的形式存在于鋁液中，鋁液的反復使用也會導致雜質(zhì)增多，增強了鋁液的沖刷作用，從而加速試驗。

壓鑄試驗后，采用體式顯微鏡觀察試塊表面的粘鋁現(xiàn)象；采用超景深顯微鏡進一步觀察試塊表面的粘鋁程度和有無裂紋。

圖2 鑲嵌在定模上的試塊(a)和動模上成形的薄板(b)Fig.2 Test blocks inserted in cover die(a) and the shaped sheet in ejector die(b)

2 試驗結果與分析

2.1 試塊的表面形貌

2.1.1 表面粘鋁

圖3為未經(jīng)壓鑄和經(jīng)過600、1 000次壓鑄后3種鋼試塊的表面形貌。由圖3(b,e,h)可知，經(jīng)600次壓鑄后，4Cr5Mo2V鋼試塊的粘鋁最嚴重，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊粘鋁最少。圖3(c,f,i)表明，1 000次壓鑄后3種試塊表面粘鋁均加劇，4Cr5Mo2V鋼試塊表面粘鋁明顯，而其他2種試塊粘鋁輕微，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊粘鋁最少且均勻，說明含鈷4Cr5Mo2V鋼的抗鋁液損傷性能最佳，而4Cr5Mo2V鋼最差。鈷、鎳元素的加入有利于穩(wěn)定模具鋼的高溫硬度[9- 10]，在反復與鋁液接觸的過程中表面不易“軟化”，所以抗鋁液沖刷性能較好，粘鋁輕微。在壓鑄試驗過程中，鋁液進入型腔與試塊接觸，試塊的組織不均勻區(qū)、機加工缺陷區(qū)等局部區(qū)域將輕微粘鋁。粘鋁區(qū)域的鋁會與鋼反應生成FexAly脆性中間化合物[11]，在高壓鋁液的沖刷下出現(xiàn)破碎剝落，導致模具表面產(chǎn)生點坑，并且在鋁液的沖刷下產(chǎn)生更嚴重的粘鋁。

圖3 未壓鑄和壓鑄600、1 000次鋁合金的4Cr5Mo2V鋼及含Ni和含Co的4Cr5Mo2V鋼試塊的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearances of the test blocks of 4Cr5Mo2V steel and nickel- containing and cobalt- containing 4Cr5Mo2V steels not die casting and die casting aluminum alloy 600 and 1 000 times

2.1.2 表面裂紋

圖4為壓鑄1 000次后4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼試塊表面的超景深形貌。從圖4(a)可以看到，4Cr5Mo2V鋼試塊表面有少量呈近網(wǎng)狀分布的微裂紋。粘附的鋁和鋁液與鋼反應形成FexAly化合物，F(xiàn)exAly與基體的熱膨脹系數(shù)不同，導致粘附的鋁和FexAly化合物內(nèi)出現(xiàn)極少量的微裂紋。鋁液的沖刷作用使微裂紋擴展，鋁液進入裂紋與基體進一步反應生成FexAly化合物，在隨后的反復壓鑄過程中，試塊表層的FexAly化合物剝落形成點坑。經(jīng)酸洗和超聲清洗后，試塊表面出現(xiàn)近似網(wǎng)狀的鋁液沖刷特征。圖4(b,c)表明，4Cr5Mo2V+Co鋼和4Cr5Mo2V+Ni鋼試塊中沒有裂紋，說明加入1%的鈷或鉬不僅可以減少表面粘鋁，還可減小模具的開裂傾向，改善抗鋁液損傷性能。鎳、鈷非碳化物形成元素的加入可提高模具的高溫硬度，鈷還能在回火過程中促進鉬碳化物的彌散析出，增強沉淀硬化效果[12- 13]。佟倩等[14]的研究表明：壓鑄模具鋼添加奧氏體穩(wěn)定化元素可減少應力集中。鈷和鎳都是擴大奧氏體區(qū)的元素，所以4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼壓鑄模表面不易產(chǎn)生裂紋。

圖4 壓鑄1 000次鋁合金后4Cr5Mo2V鋼及含Ni 和含Co的4Cr5Mo2V鋼試塊表面的超景深形貌Fig.4 Hyper- focal photomicrographs of the surface of 4Cr5Mo2V, nickel- containing 4Cr5Mo2V and cobalt- containing 4Cr5Mo2V steel test blocks after die casting aluminum alloy 1 000 times

實際壓鑄過程中的鋁液對模具沖刷十分強烈，根據(jù)Fe- Al相圖，鋼與鋁液反應形成的Fe- Al 金屬間化合物主要是FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等較脆的富Al相，在鋁液沖刷下會脫離基體進入鋁液，在模具表面留下凹坑。部分鋁合金與模具凹坑結合較牢固未脫落，進一步形成FexAly化合物，冷卻時該處粘附的鋁及FexAly化合物易產(chǎn)生微裂紋。壓鑄薄板的鋁液較少，所以凝固較快，模具與鋁液的反應較緩慢，因此試塊表面由于Fe與Al反應形成的點坑較少，鋁液沖刷產(chǎn)生的粘鋁較多。

2.2 表面硬度

表3是3種模具鋼試塊壓鑄不同次數(shù)后的表面硬度的平均值。表3數(shù)據(jù)表明，3種試塊的表面硬度都略有下降。隨著壓鑄模次的增多，相當于對試塊進行重復回火，所以硬度降低。壓鑄1 000次后，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊的硬度下降幅度最小，為1.4 HRC；4Cr5Mo2V鋼試塊下降最明顯，下降了2.8 HRC；4Cr5Mo2V+Ni鋼試塊表面硬度下降了1.8 HRC。模具硬度穩(wěn)定有利于減少粘鋁，即有利于抗壓鑄熱損傷。

表3 壓鑄不同次數(shù)后試塊的表面硬度 Table 3 Surface hardness of the test blocks after die casting for different times HRC

模具鋼經(jīng)過長時間回火后，馬氏體分解，二次碳化物粗化，導致表面硬度下降。鈷和鎳都是非碳化物形成元素，能置換Fe原子而使鋼固溶強化[15- 18]，使模具有較高的高溫強度，經(jīng)反復急熱急冷后仍保持較高的硬度。左鵬鵬等[19]研究了淬、回火的Cr- Mo- V- Ni鋼中的元素分布，發(fā)現(xiàn)在回火過程中Ni元素會富集在碳化物周圍，從而阻礙碳化物周圍鐵素體中碳原子的繼續(xù)擴散，提高碳化物粗化的激活能，阻礙碳化物長大，進而減小含鎳4Cr5Mo2V鋼的硬度下降幅度，提高其抗鋁液損傷性能。曾艷等[20]研究了含1%Ni和不含Ni的壓鑄模具鋼的熱穩(wěn)定性能和組織變化，發(fā)現(xiàn)在熱穩(wěn)定試驗后期，鎳元素會減緩模具鋼硬度下降，因而使鋼具有更好的熱穩(wěn)定性。鈷是擴大奧氏體相區(qū)的元素，在4Cr5Mo2V鋼中添加鈷能促進奧氏體化過程中碳化物溶解，提高奧氏體的含碳量，提高奧氏體的穩(wěn)定性，從而增加殘留奧氏體量和馬氏體的硬度，而且鈷還能在回火過程中促進鉬碳化物彌散析出，增強沉淀硬化效果[21- 22]。鎳、鈷對基體的強化作用使模具鋼試塊在鋁液的反復沖刷后仍具有較高的表面硬度，從而更耐沖蝕，有利于提高試塊抗鋁液損傷性能。試塊表面硬度和粘鋁程度也表明(見圖3、表3)：含鈷4Cr5Mo2V鋼試塊在壓鑄1 000次后表面的點坑和粘鋁最少，即抗鋁液損傷性能最好。因此，加入1%Co對鋼的強化作用要大于加入1%Ni，兩者都有利于改善模具鋼的抗鋁液損傷性能。

3 結論

(1) 壓鑄鋁合金1 000次后，含鈷4Cr5Mo2V鋼試塊粘鋁最少，4Cr5Mo2V鋼試塊粘鋁最多，即含鈷4Cr5Mo2V鋼的抗熱損傷性能最好。

(2) 壓鑄鋁合金1 000次后，4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼試塊的表面硬度相應下降了2.8、1.8和1.4 HRC，即鎳或鈷的加入能明顯改善4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼的抗熱損傷性能。