多向鍛造對8418鋼組織和力學性能的影響*

姜文鑫，梁 航，楊海波，，4，馬學文，李書志，孫學文，王平飛

（1.北京科技大學機械工程學院，北京 100083；2.廣東世創金屬科技股份有限公司，廣東佛山 528313；3.東莞材料基因高等理工研究院，廣東東莞 523808；4.流體與材料相互作用教育部重點實驗室，北京 100083）

0 引言

8418鋼是國際上廣泛應用的一種空冷硬化熱作模具鋼，具有優良的淬透性、韌性及耐熱疲勞性能，因此廣泛應用于熱鍛模、壓鑄模和擠壓模。由于國內熱作模具鋼冶煉鍛造后組織中存在較嚴重的帶狀偏析和網狀碳化物，造成其等向性與進口材料相比存在較大差距［1-2］，壽命與外國材料商如瑞典一勝百、德國葛利茲和日本大同等存在較大差距。此類鋼一般在550～600℃高溫下服役，在服役過程中，容易形成熱沖蝕、開裂、龜裂等早期失效。同時國內材料產品組織性能不穩定，嚴重影響模具的使用。

目前主要研究在單向鐓拔和鍛比對組織和力學性能的影響，但是單向鍛造不能消除帶狀偏析［3-6］，對多向鍛造在8418模具鋼中的應用報道較少［7-9］，但是關于多向鍛造的研究只觀測了材料的金相組織，并未對材料的力學性能進行考究。針對退火組織差、等向性低等問題，本文將研究多向鍛造變形方式對模具鋼的組織和力學性能的影響，比較大鍛比和小鍛比的退火態組織、硬度及沖擊韌性，為8418鋼大型鋼錠提供一定參考價值。

1 試驗材料與研究方法

試驗材料來源于國內某鋼廠廢棄坯料，從同一坯料中心處鋸切2塊尺寸為130 mm×250 mm×90 mm的方形鍛料進行自由鍛，組織形態為退火態。其化學成分如表1所示。

表1 實驗材料的化學成分（質量分數，%）Table 1 Composition analysis of experimental steels（mass fraction，%）

在鍛打的過程中，始鍛溫度為1 200℃，終鍛溫度為900℃。采用“兩輕一重”和“兩均勻”鍛打方式，在3個方向進行鐓粗試驗，大鍛比單向鐓粗比為2，總鍛比為6；小鍛比單向鐓粗比為1.5，總鍛比為4.5。鍛造后進行水冷，將坯料快速放入水中冷卻，冷卻1 200 s后取出，隨后進行870℃保溫3 h普通球化退火工藝，進行隨爐冷卻，24 h后取出方形坯料。方形坯料取出后，用數字超聲波探傷儀VUT-800A對鍛后試驗按照《GB/T6402-2008鋼鍛件超聲檢測方法》進行超聲波檢測。

采用鋸床鋸切距表面20 mm的芯部進行取樣并進行金相分析。根據標準金相檢驗程序及ASTM-E3標準對試樣進行拋光并用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，用HXS-1000A光學顯微鏡和JEOL JXA-8100電子顯微鏡觀察組織，按照圖譜北美壓鑄模金相標準NADCA 207-2003圖譜進行評級。非金屬夾雜的觀察按照《GB/T 10561-2005鋼的非金屬夾雜》進行操作與評級。非金屬夾雜評級如表2所示。

沖擊試樣取自于母坯橫截面的中心位置橫向和縱向兩個方向，尺寸為7 mm×10 mm×55 mm。使用WHQ-7712型真空高壓氣淬爐在1 030℃的溫度下奧氏體化30 min并用0.45 MPa進行真空氣淬，利用箱式電阻爐在600℃溫度下進行兩次回火，保溫時長2 h，第3次回火為610℃×2 h，每次回火之間空冷至室溫，最終硬度在45～46 HRC。

表2 非金屬夾雜評級Table 2 Rating of non-metallic inclusions

2 試驗結果與討論

2.1 多向鍛后超聲波探傷

對每批材料進行兩個垂直截面的掃描，均未發現回波現象，圖1所示為一個截面的掃描結果。無損探傷分析由圖可知，無論是大變形量還是小變形量多向鍛造，在鍛造過程中均沒有產生鍛裂的現象。

圖1 超聲波探傷Fig.1 Ultrasonic flaw detection

2.2 多向鍛造對退火態組織的影響

帶狀偏析是由鋼在凝固時枝晶偏析引起的正常現象［6］，圖2所示為小變形和大變形退火態組織圖。圖2（a）、2（c）、2（e）、2（f）中能看出黑色和灰色不同對比度的組織，分別為碳及金屬元素富化帶與貧化帶［10］，材料的帶狀偏析對材料的等向性、沖擊韌性和使用壽命有非常重要的影響［11］。采用的小變形多向鍛造，鍛比控制在4.5左右，圖2（b）、2（d）中高倍的球狀珠光體組織局部成鏈狀，存在貝氏體形態，按一定位相分布，按照北美壓鑄協會標準評級可達到AS7級。形成原因可能為在鍛后冷卻速度導致，形成貝氏體，在球化過程中不易形成均勻細小的球狀組織，并保留了貝氏體的形態，即奧氏體內部存在不同位向分布的板條狀及針狀鐵素體［4］。

采用的大變形鍛造，鍛比控制在6左右，從圖2（e）、2（g）中鍛后組織所呈現的仍然存在帶狀偏析，帶狀偏析沿鍛造的方向延伸，延伸方向沿最后一次鐓粗時伸長的方向分布。在圖2（f）、（h）中所得到的高倍金相組織球狀珠光體細小且均勻，不存在貝氏體形態，按照北美壓鑄協會標準評級可達到AS2級。比較兩者之間的組織變化，根據圖2（c）～（d）對帶狀偏析中碳及主要合金元素波動進行對比，A區和C區為黑色區域，B區和D區為灰色區域，其4個區域的元素質量分數如表3所示。C元素波動由1.33降為1.10，Cr、Mo、V合金元素的波動比分別由1.14、1.11、2.57降低為1.02、1.04、1.27，可見多向鍛造不能消除帶狀偏析但能減輕。大變形在多向鍛造中改善帶狀偏析有一定作用［12］。在高倍組織中，關于高倍組織能看出大變形量較小變形量改善非常明顯，珠光體組織大小、分布更加均勻。

表3 主要元素波動（質量分數，%）Table 3 Main element fluctuation（mass fraction，%）

2.3 多向鍛造對碳化物的影響

圖2 小變形和大變形退火態組織（OM）Fig.2 Small deformation and large deformation annealed structure diagram（OM）

球狀碳化物的形成就是析出、溶解和聚集長大的過程［13-14］在析出過程中，一般沿著相組織邊緣析出，容易形成鏈狀碳化物，鏈狀碳化物是碳化物分布極不均勻的表現［15］，8418鋼中碳化物的形態類型、大小、含量、形狀、分布和穩定性對8418鋼最終服役時的熱強性、熱穩定性、沖擊韌性及熱疲勞性能都會產生很大影響［15］。小變形和大變形退火態組織圖如圖3所示。從圖3（a）～（b）中可以看出，小變形量鍛造碳化物粒徑大小不均勻，形態不規則且差異較大，同時含有大塊狀未溶碳化物，并且圖3（b）中球狀碳化物沒有均勻彌散地分布在基體上，大變形較小變形的球狀碳化物平均粒徑更加細小，圖3（d）中大變形量鍛造碳化物均勻地分布在鐵素體基體上，分布較小變形量鍛后退火更加均勻，形態較小變形量的鍛后退火更加規則且形態差異明顯縮小，且碳化物的形狀比較圓潤，更趨近于粒狀，分布得更加均勻。薛松［16］認為在經過球化退火后，球狀碳化物由馬氏體組織和珠光體組織轉化而來，主要的碳化物類型有MC、M6C、M7C3和M23C6，MC主要為V的碳化物，M7C3和M23C6主要為Cr的碳化物，M6C主要為Mo和Cr的碳化物；周健［17］認為碳化物分布與帶狀偏析有關，貧化帶含較少的未溶碳化物顆粒富化帶中由于金屬碳化物較多，而且存在較多的大顆粒碳化物。可見多向鍛造形式影響碳化物的形態和分布，在一定范圍內，鍛比為6的較鍛比為4.5的碳化物形態更加規則，分布更加均勻。

圖3 小變形和大變形退火態組織（SEM）Fig.3 Small deformation and large deformation annealing state microstructure（SEM）

2.4 多向鍛造對硬度與沖擊韌性的影響

回火過程硬度變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，大變形量鍛造淬火后的硬度值比小鍛比的普遍高，在回火過程中，可見在多向鍛造過程中大鍛比對提高模具的最終淬火、回火后硬度具有一定的影響，有助于提高材料的抗磨性。圖中，橫坐標回火次數為0表示淬火狀態下的硬度值，淬火狀態的硬度大鍛比較小鍛比的高1.5 HRC，在第1次600℃回火2 h后的硬度值相差0.8 HRC，在第2次600℃回火2 h后硬度值相差0.6 HRC，在第3次610℃回火2 h，兩者硬度值相差0.4 HRC。造成硬度之間有差距的原因可能為大鍛比的材料經過充分的塑性變形，材料組分的均勻性變得更好，在回火過程析出均勻彌散的碳化物，材料組分均勻性可以影響材料的硬度。同時，硬度在回火時的硬度降低值相差不大，可見兩者的抗回火性能幾乎相當。

圖4 回火過程硬度變化曲線Fig.4 Hardness change curve during tempering

圖5 不同變形量無缺口沖擊功Fig.5 Unnotched impact value of different deformation

試驗鋼經不同鍛比后回火態無缺口室溫沖擊實驗結果如圖5所示。圖5（a）分別為大鍛比的橫向和縱向沖擊；圖5（b）分別為小鍛比的橫向和縱向沖擊值。大變形量的橫縱沖擊功分別為285.3 J和308.6 J，小變形量的橫縱沖擊功分別為218 J和250 J，大鍛比試樣在橫縱向沖擊功較小鍛比沖擊值均有較大提高，其中橫向沖擊提高31%左右，縱向沖擊可提高23%左右，大鍛比的等向性為橫向沖擊/縱向沖擊即285.3/308.6=0.93，小鍛比的等向性為218/250=0.88。從數值上看，多向鍛造可以提高等向性，但是小鍛比的沖擊值明顯太小，大鍛比的橫向沖擊值甚至超過小鍛比的縱向沖擊，在保證不開裂的前提下，故大變形量對提高材料的韌性有明顯的影響［5］。

3 結束語

本文利用金相顯微鏡、掃描電鏡和沖擊試驗機研究不同變形量在多向鍛造中對8418鋼材料的退火態組織和沖擊性能的影響，得出結論如下。

（1）多向鍛造可以明顯改善低倍帶狀偏析和球狀組織，在一定范圍內鍛比越大，偏析改善越明顯，按照北美壓鑄協會標準評級可達到SA1-SA2。球狀珠光體也得到明顯改善，鍛比為4.5、6時，評級分別為AS7和AS2級。C、Cr、Mo和V主要元素的黑白不同區域的元素比值分別由1.33、1.14、1.11、2.57降為1.10、1.02、1.04、1.27。

（2）多向鍛造變形量對碳化物的分布和形態有影響，鍛比為6較鍛比為4.5的碳化物分布更均勻，形態更加規則且粒徑更加細小。

（3）多向鍛造對材料的等向性有明顯改善，在一定范圍內，鍛比越大，材料的橫向、縱向沖擊韌性值越高，沖擊韌性與材料的微觀組織有關系，大鍛比橫向沖擊與縱向沖擊較小鍛比分別提高31%和23%左右。

（4）多向鍛造比對材料的最終淬火、回火的硬度有影響，大鍛比的硬度較小鍛比的硬度高0.4 HRC～1.5 HRC。但是兩者的抗回火性幾乎無差別。