付莉莉 閔永安

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444）

4Cr5MoSiV鋼是典型的熱作模具鋼，廣泛應(yīng)用于熱鍛模、壓鑄模和熱擠壓模等［1］。4Cr5MoSiV鋼線材不僅用作熱作模具系統(tǒng)的頂桿、沖頭和對(duì)接型芯等零件［2］，還應(yīng)用在耐一定高溫的汽車(chē)零部件上，如噴油嘴等［3］。這類鋼線材含Cr、Mo、V等合金元素較多，凝固成型過(guò)程中容易形成嚴(yán)重的枝晶偏析和大塊共晶碳化物，鍛造和軋制后，枝晶偏析轉(zhuǎn)變?yōu)閹钇?，共晶碳化物保留到回火狀態(tài)［4-5］。工業(yè)生產(chǎn)中，普遍采用電渣重熔、高溫?cái)U(kuò)散、大變形量熱加工等手段來(lái)控制凝固過(guò)程，進(jìn)而減少偏析、抑制共晶碳化物的形成［6］。由于不同廠家的冶煉、熱加工、熱處理裝備與工藝水平的差異以及成本的控制，熱作模具鋼線材質(zhì)量也參差不齊。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類鋼壓鑄模塊的研究較多，但對(duì)其線材的研究并不多見(jiàn)。本文選取兩個(gè)有代表性的特鋼廠制造的熱作模具鋼線材為研究對(duì)象，從化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能等方面對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，為用戶的合理選材提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

A和B廠生產(chǎn)的退火態(tài)4Cr5MoSiV鋼線材，直徑分別為14.4和15.4 mm，相應(yīng)編號(hào)為4Cr5MoSiV-A和4Cr5MoSiV-B（以下簡(jiǎn)稱A鋼和B鋼）。

采用SPECTRO-MAX6型直讀光譜儀測(cè)定鋼的化學(xué)成分；使用HBS-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)量鋼的硬度，試驗(yàn)力為0.98 N；使用EPIPHOT300型金相顯微鏡和ZIESS-SUPRA55型掃描電子顯微鏡觀察鋼的微觀組織，并用Oxford能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。

在兩種線材上取樣，進(jìn)行1 020℃真空淬火+570℃回火處理，試樣硬度調(diào)整至48～50 HRC。調(diào)質(zhì)后加工夏比V型缺口沖擊試樣各3根，在PTMS4600型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。使用掃描電子顯微鏡和能譜儀對(duì)沖擊斷口形貌和微觀組織進(jìn)行觀察與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

A、B鋼的化學(xué)成分如表1所示。參照北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA＃207—2006［7］，A 鋼中主要元素含量在H13鋼成分范圍內(nèi)，鉬含量略低于H13鋼的含量下限；B鋼中各元素含量符合H11鋼成分要求，鉻含量略低于H11鋼的含量下限。NADCA＃207標(biāo)準(zhǔn)普遍用于定義模具鋼的品質(zhì)，對(duì)P、S的含量要求比較嚴(yán)格。A、B鋼的P、S含量均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限，A鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為0.019%，屬于低硫易切削鋼。B鋼含有一定量的由廢鋼冶煉帶入的Nb、Ti微合金元素。

表1 A、B鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of steels A and B （mass fraction） %

2.2 原材料組織與性能

2.2.1 宏觀硬度

A、B鋼的硬度分別為227和233 HBW，均滿足NADCA＃207標(biāo)準(zhǔn)要求（≤235 HBW）。

2.2.2 微觀組織

A、B鋼線材的橫截面微觀組織如圖1（a，b）所示，鐵素體基體中分布著球狀碳化物。對(duì)照NADCA＃207 標(biāo)準(zhǔn)圖譜，如圖1（c，d）所示，兩種鋼的退火態(tài)組織整體比較均勻。A鋼中局部存在不規(guī)則的白色條塊狀區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)碳化物明顯少于其他區(qū)域，相比較B鋼中碳化物彌散程度更高、更細(xì)小。

圖1 A、B鋼的退火態(tài)組織Fig.1 As-annealed microstructures of steels A and B

2.3 非金屬夾雜物

依據(jù)GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)A、B鋼中夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。A鋼中以A類硫化物夾雜為主，并伴有少量D類氧化物夾雜；B鋼中主要夾雜物為D類氧化物，如表2所示。A鋼中硫化物夾雜呈長(zhǎng)條狀和紡錘狀，長(zhǎng)度為10～40 μm，如圖2（a）所示；經(jīng)能譜分析該夾雜物主要含Mn和S元素，為MnS夾雜（圖2（b，c））。B 鋼中有較多粒狀D類氧化物夾雜，如圖3（a）所示；夾雜物呈球狀和略帶棱角的塊狀，尺寸較?。▓D3（b，c）），含O、Al、Ca和Mg等元素，為鈣鋁酸鹽復(fù)合氧化物夾雜。

圖2 A鋼中典型夾雜物（a）及其能譜分析結(jié)果（b，c）Fig.2 Typical inclusions（a）in steel A and their energy spectrum analysis results（b）

圖3 B鋼中典型夾雜物（a）及其能譜分析結(jié)果（b，c）Fig.3 Typical inclusions（a）in steel B and their energy spectrum analysis results（b，c）

表2 A、B鋼中夾雜物評(píng)級(jí)Table 2 Grade of inclusions in steels A and B 級(jí)

2.4 帶狀偏析及共晶碳化物

A、B鋼線材邊緣與芯部均存在一定程度的帶狀偏析。A鋼邊緣偏析帶間距均勻，寬度約為15 μm，如圖4（a）所示；芯部偏析比較嚴(yán)重，偏析帶寬度不均勻，為20～100 μm，如圖4（b）所示。B鋼邊緣組織較為均勻，偏析帶不明顯，如圖4（c）所示；芯部可見(jiàn)明顯偏析帶，帶寬為10～40 μm，如圖4（d）所示。整體而言，越靠近芯部，偏析帶越寬、顏色也越深，偏析越嚴(yán)重；A鋼相較于B鋼的偏析程度更嚴(yán)重。

圖4 A、B鋼邊緣與芯部偏析帶Fig.4 Segregation bands at the edge and in the core of steels A and B

顯微硬度的均勻性在一定程度上可以表征材料組織的均勻性［8］。選取A、B鋼偏析更嚴(yán)重的中心區(qū)域，采用顯微硬度計(jì)在其橫截面上各測(cè)15個(gè)點(diǎn)，得到A、B 鋼的硬度分別為（244.7 ±9.3）和（242.1 ±7.2）HV0.1，微區(qū)硬度分布如圖5 所示。相較于A鋼，B鋼的低硬度值更多，結(jié)合圖4（b，d），B鋼偏析帶更窄且顏色更淺，淺色區(qū)域主要為低硬度的鐵素體；B鋼的硬度分布范圍和四分位距小于A鋼，硬度分布更均勻。

圖5 A、B鋼中心區(qū)域硬度分布Fig.5 Microhardness distributions in the center of steels A and B

A、B鋼偏析帶中均可見(jiàn)大塊共晶碳化物，如圖6（a）和圖7（a）所示。A 鋼中碳化物數(shù)量較多，尺寸較大；B鋼偏析程度更輕，偏析帶中碳化物數(shù)量相對(duì)較少，主要呈塊狀和細(xì)條狀。A鋼中以富V、Mo類共晶碳化物為主，呈棒狀，長(zhǎng)度在10～30 μm，如圖6（b，c）所示；還有少量含Ti類共晶碳化物，呈塊狀，尺寸小于10 μm，如圖6（d）所示。B 鋼中主要為富Nb、Ti、V類共晶碳化物，根據(jù)圖7（b，d）能譜分析結(jié)果，碳化物中Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%，呈不規(guī)則多邊形；如圖7（c）所示，碳化物中Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)16%，呈紡錘狀，尺寸約10 μm。

圖6 A鋼中共晶碳化物及其能譜分析結(jié)果Fig.6 Eutectic carbides in steel A and their energy spectrum analysis results

圖7 B鋼中共晶碳化物及其能譜分析結(jié)果Fig.7 Eutectic carbides in steel B and their energy spectrum analysis results

帶狀偏析和偏析帶中的大塊共晶碳化物是熱作模具鋼的典型缺陷，退火態(tài)組織中這種缺陷更明顯，淬、回火也無(wú)法完全消除，并且會(huì)對(duì)鋼的力學(xué)性能造成一定影響［9］。相較于B鋼，A鋼中Cr和V等碳化物形成元素的含量更高，凝固過(guò)程中更容易形成枝晶偏析和共晶碳化物，偏析更嚴(yán)重。圖4中淺色區(qū)域?yàn)樘己秃辖鹪氐呢毣瘞?，?duì)應(yīng)原鑄態(tài)組織中的枝晶臂，其中的碳化物分布較稀疏，顆粒細(xì)小，微區(qū)硬度低，所以偏析程度更小的B鋼的硬度分布范圍更小，組織均勻性更高［10］。深色區(qū)域?yàn)楦患瘞?，?duì)應(yīng)原鑄態(tài)組織的枝晶間，有大塊共晶碳化物。

大量研究表明，鈮、鈦元素對(duì)熱作模具鋼凝固過(guò)程中共晶碳化物的析出行為有很大影響。不含Nb、Ti的H13鋼凝固時(shí)，富釩碳化物首先析出，其熱穩(wěn)定性不高，在合適溫度下保溫一定時(shí)間可以溶解；而含有Nb、Ti元素時(shí)，熱穩(wěn)定性高的富鈮、鈦（Nb，Ti）N 首先析出［11-13］。A 鋼中析出相主要為富V、Mo共晶碳化物以及少量含Ti碳化物。B鋼由于廢鋼冶煉含有一定量的Nb、Ti元素，形成富Nb、Ti、V 的共晶碳化物，尺寸可達(dá)10 μm，后期熱處理難以消除。雖然B鋼的偏析程度小于A鋼，但其析出的Nb、Ti碳化物不僅對(duì)材料的合金化效果產(chǎn)生影響，還嚴(yán)重危害鋼產(chǎn)品的質(zhì)量［14］。

2.5 淬、回火組織與性能

2.5.1 微觀組織

A、B鋼淬、回火后的顯微組織均為馬氏體基體中彌散分布著二次碳化物，晶粒尺寸為10～20 μm，組織均勻，如圖8所示。相較于退火態(tài)組織，由于熱處理過(guò)程碳的重新分配，淬、回火鋼的局部偏析程度有所減輕。

圖8 A、B鋼淬、回火后的顯微組織Fig.8 Microstructures of steels A and B after quenching and tempering

2.5.2 力學(xué)性能

A、B鋼淬、回火后的硬度和沖擊吸收能量如圖9所示。可見(jiàn)兩種鋼的硬度接近，都為49 HRC左右；A、B鋼的縱向沖擊吸收能量分別為16.3、18.9 J。

圖9 A、B鋼的硬度和室溫沖擊吸收能量Fig.9 Hardness and impact absorbed energy at room temperature for steels A and B

2.5.3 沖擊斷口

A、B鋼沖擊斷口的典型形貌如圖10所示。兩種鋼均屬于韌性斷裂，斷口有大量顯微微坑。一般在斷裂條件相同時(shí)，韌窩尺寸越大，材料的塑韌性越好［15］。B鋼的韌窩尺寸明顯大于A鋼，斷裂時(shí)需吸收的能量更高，與沖擊試驗(yàn)的結(jié)果一致，B鋼的沖擊吸收能量大于A鋼，塑韌性更好。

圖10 A、B鋼沖擊斷口形貌Fig.10 Impact fracture morphologies of steels A and B

兩種鋼的沖擊斷口均發(fā)現(xiàn)有大塊共晶碳化物和夾雜物，如圖11（a）和圖12（a）所示。根據(jù)能譜分析結(jié)果，A鋼中為富V、Mo共晶碳化物，B鋼中為富Nb、Ti、V共晶碳化物；A鋼斷口碳化物發(fā)生撕裂，尺寸大，沿其邊緣與基體分離；B鋼斷口碳化物已經(jīng)碎裂，脆性更大。沖擊斷口的夾雜物呈圓形，能譜分析結(jié)果顯示A鋼中為MnS夾雜，圖11（b）中可見(jiàn)沿縱向分布的硫化物截面；B鋼中為鈣鋁酸鹽復(fù)合氧化物夾雜，略帶棱角，如圖12（b）所示。沖擊斷裂時(shí)，A鋼中硫化物夾雜的截面更小、更規(guī)則，斷裂需吸收的能量更小。

圖11 A鋼沖擊斷口的典型碳化物和夾雜物Fig.11 Typical carbides and inclusions on impact fracture of steel A

圖12 B鋼沖擊斷口的典型碳化物和夾雜物Fig.12 Typical carbides and inclusions on impact fracture of steel B

沖擊韌性是評(píng)估熱作模具鋼綜合性能的重要指標(biāo)，夾雜物、帶狀組織、共晶碳化物對(duì)其均有影響［16］。大量研究表明，優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼的縱向沖擊吸收能量可達(dá)25 J以上［17］，而A、B鋼的縱向沖擊吸收能量?jī)H為16～19 J。夾雜物的存在會(huì)破壞金屬基體的連續(xù)性，其成分、形態(tài)、尺寸和分布對(duì)材料的工藝性能均有顯著影響［18-20］。A鋼中雖然存在比較嚴(yán)重的帶狀組織和長(zhǎng)條狀MnS夾雜，但都沿縱向分布，對(duì)橫向沖擊性能的降低影響比較顯著，對(duì)縱向沖擊性能影響不大，同時(shí)MnS還能改善鋼的切削性能［21-22］。A鋼合金元素含量高，成分偏析嚴(yán)重、組織均勻性差，并存在較多大塊共晶碳化物，是造成該鋼沖擊性能偏低的主要原因。B鋼在廢鋼冶煉過(guò)程中帶入一定量的Nb、Ti微合金元素，形成難以消除的富Nb、Ti共晶碳化物，脆性大，對(duì)鋼的力學(xué)性能不利［23］；鋼中鈣鋁酸鹽復(fù)合氧化物夾雜的硬度和熔點(diǎn)高，一定程度上也會(huì)降低沖擊性能。

3 結(jié)論

（1）A、B兩廠生產(chǎn)的4Cr5MoSiV熱作模具鋼線材的芯部都存在比較嚴(yán)重的帶狀偏析，且偏析帶中含有大塊共晶碳化物，A鋼的偏析程度大于B鋼。

（2）4Cr5MoSiV-A鋼為低硫易切削鋼，鋼中條狀MnS夾雜物和帶狀組織沿縱向分布，對(duì)縱向沖擊性能影響不大；合金元素含量高，成分偏析嚴(yán)重且含有較多大塊富V、Mo共晶碳化物，一定程度上降低了鋼的沖擊性能。

（3）4Cr5MoSiV-B鋼采用廢鋼冶煉，帶入的Nb、Ti元素形成難以消除的富Nb、Ti共晶碳化物，脆性大，同時(shí)含有較多熔點(diǎn)高且硬的鈣鋁酸鹽復(fù)合氧化物夾雜，對(duì)鋼的沖擊性能均有不利影響。