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(jìn)行鍛造加工時(shí)發(fā)生開裂，該批模塊的材料為4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，主要生產(chǎn)加工工藝過程為：φ230 mm鋼棒→下料→鐓鍛模塊→等溫球化退火→機(jī)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(chǎn)品再次出現(xiàn)此類問題，筆者對開裂模塊進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

宏觀觀察開裂模塊發(fā)現(xiàn)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(xué)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(xué)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(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)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(shù)要求，硫含量也略偏高。

1.2 金相檢驗(yàn)

將1號試樣和2號試樣進(jìn)行預(yù)磨、拋光后，采用OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》對試樣中的非金屬夾雜物進(jìn)行評級，結(jié)果為A2.0，B0.5，C0.5，D1.0，未發(fā)現(xiàn)DS類大尺寸超寬夾雜物，如圖2所示。對1號試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)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(kuò)展，如圖3所示。將1，2號試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，在光學(xué)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(fā)生變化，仍呈深黃色，如圖4所示。在1號試樣裂紋一側(cè)附近基體上同時(shí)還發(fā)現(xiàn)有貝氏體偏析區(qū)存在，該偏析區(qū)沿裂紋分布，如圖5所示。

表1 模塊的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，使用HR-150A型洛氏硬度計(jì)對1號試樣的不同部位進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示?？梢娏鸭y邊緣的硬度低于基體的，而偏析區(qū)域的硬度明顯高于基體的。

表2 1號試樣的硬度測試結(jié)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(jié)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(jié)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(zhì)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(jìn)行了成分分析，結(jié)果如圖6和圖7所示?？梢娀w主要元素含量基本符合GB/T 1299—2014對4Cr5MoSiV1模具鋼的化學(xué)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(shí)需要承受很高的應(yīng)力和沖擊負(fù)荷，模具鋼應(yīng)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(zhì)量、熱加工、熱處理等都是決定模具質(zhì)量的重要因素，在適宜的生產(chǎn)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(xué)成分來看，殘余銅元素的含量明顯超過GB/T 1299—2014的技術(shù)要求，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.31%，同時(shí)鋼中硫元素含量略偏高，銅是低熔點(diǎn)金屬元素，而硫是易偏析的雜質(zhì)元素；金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A類夾雜物(硫化物)含量和級別較高，達(dá)到2.0級。裂紋附近發(fā)現(xiàn)有沿晶分布的深黃色第二相，在浸蝕后未脫落，顏色未發(fā)生變化，結(jié)合模塊基體和晶界第二相的能譜對比分析結(jié)果可知，模塊基體成分基本符合GB/T 1299—2014對4Cr5MoSiV1鋼的技術(shù)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(qiáng)，在浸蝕時(shí)不易受到腐蝕而呈深黃色。由于銅的熔點(diǎn)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(shí)晶界上分布的富銅相已呈熔融狀態(tài)，在鍛造應(yīng)力作用下此薄弱環(huán)節(jié)很容易沿著低熔點(diǎn)富銅相形成裂紋[3]，一般稱之為“銅脆”。裂紋區(qū)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(qū)域的銅元素含量偏高，從而在鍛造時(shí)導(dǎo)致開裂。一般來講，鋼中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.20%時(shí)，就易產(chǎn)生“銅脆”現(xiàn)象，鋼中銅含量越高，則“銅脆”現(xiàn)象越明顯[4]。同時(shí)，鋼中雜質(zhì)硫元素也會促進(jìn)“銅脆”現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.03%時(shí)，銅和硫結(jié)合成熔點(diǎn)更低的共晶體，“銅脆”更為加劇。隨著“銅脆”而出現(xiàn)的粗大裂紋在機(jī)械加工中無法去除時(shí)，鋼材只能報(bào)廢。除此之外，由于雜質(zhì)硫元素的易偏析特性，使模塊的顯微組織中出現(xiàn)了沿裂紋分布的貝氏體偏析區(qū)，這種組織形態(tài)的偏析，實(shí)際上就是化學(xué)成分的偏析[5]。對1號試樣不同區(qū)域的硬度測試更證明了這一點(diǎn)，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(qū)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?；瘜W(xué)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(xù)性，還增加了鋼材的各向異性，使裂紋更容易沿著偏析區(qū)擴(kuò)展[6]。

3 結(jié)論及建議

(1) 4Cr5MoSiV1鋼模塊中的殘余銅元素和雜質(zhì)硫元素含量偏高，使得模塊中形成低熔點(diǎn)富銅相，產(chǎn)生“銅脆”現(xiàn)象，同時(shí)由于較高的雜質(zhì)元素促使組織偏析，破壞了鋼材基體的連續(xù)性，模塊在高溫鍛造時(shí)沿著富銅相和偏析區(qū)發(fā)生了開裂。

(2) 建議在鋼的冶煉方面應(yīng)提高原材料的冶金質(zhì)量，嚴(yán)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(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.2%以下，同時(shí)對鋼中的硫、磷等雜質(zhì)元素，特別是有害雜質(zhì)元素硫的含量進(jìn)行控制，避免硫和銅形成低熔點(diǎn)共晶而加大“銅脆”傾向；另外，4Cr5MoSiV1鋼模塊在熱加工或熱處理時(shí)，應(yīng)避免與含銅件或含銅不銹鋼同爐處理，并及時(shí)對鍛造加熱爐或熱處理爐進(jìn)行清理，防止外來銅元素滲入污染鋼模塊而導(dǎo)致“銅脆”現(xiàn)象的發(fā)生。