兩種鋁擠壓用模具鋼的組織與性能研究*

黃志其，陳 慧,2，鄧濤濤，許栩達,2，陳宜釗，胡 權

1.佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司,廣東 佛山 528133；2.中南大學材料學院，湖南 長沙410006

鋁型材擠壓模具是在高溫高壓下作業，并承受周期載荷的作用，且承受著強烈的摩擦，由于工況條件惡劣，要求模具材料具有熱穩定性、熱疲勞性、熱耐磨性和足夠的韌性[1]．H13(4Cr5MoSiV1)鋼具有高淬透性、韌性、優良的抗熱裂能力及中等耐磨損性能，熱處理變形小，是目前使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種[2]．通常鋁擠壓型材廠對鋼材質量檢驗主要是成分和組織檢測，但實際使用過程中，也會出現成分、組織合格而模具早期失效的情況．為此，對兩種模具鋼材進行性能和組織對比研究，以期為模具鋼材質量判斷提供參考．

1 材料與實驗方法

兩種模具鋼的成分如表1所示．首先將試樣進行淬火，經淬火后進行五次回火處理．鋼材淬火工藝：升溫650 ℃(保溫1 h)—升溫850 ℃(保溫2 h)—升溫1020 ℃(保溫2 h)—工件移入冷卻倉—降溫980 ℃—氣淬(20 min)—出爐．淬火后進行五次回火工藝參數：第一次回火 575 ℃，第二次回火585 ℃，第三次570 ℃，第四次585 ℃，第五次570 ℃保溫8 h．

利用光譜分析，測定了兩種模具鋼的成分．經過淬火、回火處理后的兩種鋼材，進行了金相組織觀察．同時，對5次回火后的鋼材進行了硬度及沖擊韌性試驗，并對斷口進行宏觀及微觀形貌分析．

2 結果與分析

2.1 回火后的組織

圖1為兩種鋼材回火后的金相組織．從圖1可以看出，兩者均為細針狀馬氏體，B鋼中馬氏體更細小均勻，但是在B鋼的顯微組織中發現塊狀金屬化合物，推測為含碳化合物．這些金屬化合物可能是鋼材制造過程中未除去的夾雜，無法通過熱處理手段消除，塊狀金屬化合物處容易產生應力集中，成為裂紋源，加速鋼材斷裂而影響鋼材韌性．

表1 鋼材的組成成分

圖1 兩種鋼材5次回火后金相組織(a)B鋼5次回火；(b) WJ鋼5次回火Fig.1 Optical microscopy of two kinds of steel after 5 times temper(a) B steel after 5 times temper (b) WJ steel after 5 times temper

2.2 斷口分析

圖2為兩種模具鋼材的宏觀斷口形貌．從圖2可見，宏觀狀態下B鋼斷口呈暗灰色，斷裂后出現碎片，斷口基本齊平并垂直于外加拉應力．

圖3為B鋼微觀斷口形貌．從圖3可見， B鋼斷口有明顯解理臺階，屬于解理斷裂．在500倍下發現，大塊含碳金屬外來物(點3)約為20μm，在碳化

圖2 兩種鋼材宏觀斷口Fig.2 Macrograph fracture analysis for of two kinds of steel

物附近發現帶狀金屬化合物(點2及其附近區域)，約10μm左右．位錯容易在此塞積，造成應力集中，更容易生成微裂紋而成為裂紋源．裂紋從化合物附近向外輻射，可看到明顯裂紋源．

圖4為WJ鋼微觀斷口形貌．從宏觀斷口(圖2)可見，WJ鋼斷口有縮頸，底部斷面呈暗灰色，邊緣有一圈剪切唇．從微觀(圖4)可見：開裂后WJ鋼為穿晶斷裂和沿晶斷裂共生的混合型斷裂；有少量微觀塑性變形，晶界上有許多細密的韌窩．

圖3 B鋼微觀斷口形貌(a)解離臺階，100×；(b)鋼裂紋源，100×；(c) 鋼裂紋源，500×Fig.3 Microscopy fracture surface of B steel(a) cleavage step pattern，100×; (b)crack source of steel，100×; (c) crack source of steel，500×

圖4 WJ鋼微觀斷口形貌(a)韌窩；(b) 穿晶和沿晶Fig.4 Microscopic fracture morphology of WJ steel(a) dimple; (b)trans granular and inter granular

這是由于金屬產生塑性變形時，位錯沿滑移面運動，在滑移面交叉處形成位錯塞積，造成應力集中，應力得不到松弛，就會在某些晶面產生微裂紋，微裂紋在晶粒內部很容易擴展，當微裂紋擴展至晶界，會受到晶界阻礙，在晶界附近同樣產生應力集中，當解離初裂紋所在晶面與相鄰晶界解離面相交，會產生新的裂紋源．這些解離裂紋向前擴展并相互接近，金屬被撕裂形成解離臺階或撕裂棱．解離臺階擴展、匯合形成河流花樣．

表2 微觀形貌中各點EDS

2.3 硬度與沖擊韌性

圖5為兩種鋼材回火后的洛氏硬度試驗結果．從圖5可以看出，5次回火過程中B鋼的硬度均高于WJ鋼．這是因為B鋼中含有較高含量的Cr元素和V元素，在回火過程中Cr，Mo和V元素形成彌散分布的碳化物，并在特定條件下析出滲碳體以外的特殊碳化物，導致晶格畸變和釘扎位錯，使鋼材強度和硬度升高，但是回火過程中同時伴隨馬氏體的分解，鋼材強度和硬度會因此降低．前三次回火過程中兩種鋼材硬度變化不大，是碳化物的析出和馬氏體的分解共同作用的結果，第四次回火兩種鋼材硬度均降低，此時含Cr，Mo和V的碳化物從基體中充分析出，而馬氏體的分解還在繼續，所以第四次和第五次鋼材硬度降低．

圖5 回火次數對硬度的影響Fig.5 The effect of tempering times on hardness

圖6為兩種鋼材回火后的沖擊韌性試驗結果．從圖6可見，WJ鋼沖擊韌性遠高于B鋼．

結合斷口分析及EDS分析，兩種鋼材沖擊韌性差別大的原因主要有以下三點：

(1)B鋼的V含量雖高于WJ鋼的，但是V的作用并沒有充分發揮出來，大量V元素在金屬中以塊狀化合物的形式存在，而不是均勻彌散地分布在金屬中．應力易在這些塊狀化合物周圍集中，形成微裂紋，甚至發展為裂紋源，加速金屬的斷裂．

(2)塊狀碳化物的存在．鋼鐵熔煉過程中碳化物未充分溶解或除去，許多金屬夾雜物在碳化物周圍聚集，其中包括脆性的S和Si等，也容易成為裂紋源，實驗所用金屬裂紋源即是在塊狀碳化物和塊狀V化物聚集的地方．

(3)晶界脆性相的存在，沿晶斷裂和穿晶斷裂主要是晶界強度和晶粒強度的對抗．當晶界附近有脆性相析出，或者是偏析和雜質弱化晶界，裂紋容易在晶界擴展，導致沿晶脆性斷裂．

3 結 論

(1)晶界脆性相和鋼材原始組織不均勻，是造成鋼材韌性差的主要原因.

(2)沖擊韌性測試能直觀的反映鋼材性能，可以作為鋼材性能檢測的重要指標.