4Cr13模块心部密集型缺陷分析

徐良乐 吴高明 斯庭智

(马鞍山市天马冶金材料有限公司，安徽243004)

4Cr13模块心部密集型缺陷分析

徐良乐 吴高明 斯庭智

(马鞍山市天马冶金材料有限公司，安徽243004)

通过观察低倍酸洗试样，发现4Cr13模块心部存在密集型缺陷。通过失效分析，发现模块心部的密集型缺陷是由钢件心部的大量脆性硅酸盐夹杂引起的。

4Cr13钢；模块；裂纹；夹杂物

近年来，我国模具工业技术水平取得了巨大的进步，模具制造水平不断提高。2015年我国模具行业总产值已突破2万亿元[1]，其中塑料模具钢在进出口中所占的比重都稳居第一[2]。4Cr13属于典型的中碳高铬马氏体型耐蚀塑料模具钢，具有较高的强度、耐磨性、抛光性和耐腐蚀性，除塑料模具行业外，还广泛应用于高硬度及高耐磨性的热油泵、耐腐蚀阀体和不锈钢带制品等领域[3-4]。

随着塑料制品逐渐向着大型化发展，塑料模具的大型化发展是必然的趋势。在大模块产品生产时，长期以来由于锻造工艺、热处理工艺不当等因素，国产大截面4Cr13钢模块产品的质量波动较大，往往存在比较严重的疏松、一次碳化物残留、偏析、碳化物分布不均匀和夹杂等级过高等缺陷，对钢的力学性能、耐蚀性能和抛光性能等造成了不利影响[2，5]，由此造成的企业间的质量异议逐年增多。近日，我公司采用80 MN水压机对某企业委托的大型4Cr13钢模块进行了相关的锻造处理，锻后模块的近似尺寸为3000 mm×600 mm×400 mm。经锻造后检验，各项力学性能都达到要求。然而，无损检测结果显示，模块的心部存在大量密集型缺陷。为探明心部缺陷的形成原因，本文对模块进行了失效分析，为4Cr13塑料模具的质量控制提供有益的参考。

1 试验过程和方法

按照GB/T 20066—2006《钢和铁 化学成分测定用试样的取样和制样方法》对4Cr13钢模块锻坯进行了化学成分分析试样的截取，通过瑞士产ARL3460光谱仪对其进行化学成分分析。按照GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》对锻坯心部进行了低倍组织试样的取样和酸蚀试验。在心部缺陷处截取金相和夹杂物分析试样，对其进行磨平、抛光处理。采用盐酸硝酸水(10∶1∶10)溶液对金相试样进行腐蚀。采用Olympus金相显微镜对夹杂物和金相试样进行观察，并对照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》对钢中夹杂物进行评级。用Nova Nano SEM 430高分辨扫描电子显微镜及其自带的能谱仪对夹杂物形貌特征和成分进行分析。

2 试验结果和讨论

表1给出了实测的4Cr13钢模块的化学成分，与标准要求值相比较，只有Si含量稍稍超过标准要求的上限值。鉴于超出值在合理的范围内，若其他性能满足要求，一般视同合格。然而，化学成分分析结果也预示着钢材在冶炼时成分控制不是十分严格，大型模块的心部可能存在一定的Si偏析或含有一定的硅酸盐类夹杂。

图1为4Cr13钢模块大截面心部低倍酸洗组织形貌。由图1可知，未见试样有点状偏析，酸洗 面有多条较密集的裂纹缺陷(图中箭头所指)，裂纹长度达3 mm；裂纹形态非鱼眼状，结合表1中模块实测的H含量，判断裂纹不是白点缺陷。

表1 4Cr13钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 4Cr13 steel (Mass,%)

图1 4Cr13模块心部低倍酸洗缺陷形貌Figure 1 Defect morphology of low power pickling sample at the center of 4Cr13 block

图2 4Cr13模块冲击试样断口形貌Figure 2 Fracture morphology of impact sample of 4Cr13 block

为分析断口形貌特征，按照GB/T 8363—2007《铁素体钢落锤撕裂试验方法》对4Cr13钢模块大截面心部密集缺陷处进行了落锤冲击试验。通过Nova NanoSEM 430高分辨扫描电子显微镜对断口进行了观察，其形貌特征如图2所示。扫描电镜(SEM)断口整体呈现脆性断裂的特征，说明裂纹缺陷对钢材的冲击韧性造成了巨大的损害。断口上可以清晰地看出几条较深的裂纹沿着晶界分布。由于4Cr13钢合金元素含量高，在凝固过程中容易形成大尺寸网状或鱼骨状碳化物，一般通过后期锻造或轧制，凝固过程中形成的网状、“鱼骨状”碳化物会被破碎，变成颗粒状碳化物并沿着变形方向延伸形成带状碳化物。但由于锻造比的不同，心部变形量小，可能会存在“变形死区”，即己形成的“鱼骨状”碳化物不易被破碎，在锻造时心部易形成沿晶裂纹[2]。此外，锻造加热工艺设计不合理，即采用的开锻温度较低(≤1150℃)可能造成心部沿晶碳化物不能充分溶解，锻后得以保留，有可能造成心部密集型沿晶裂纹的产生[6]。依据以上理由，委托企业认为，我公司制定的锻造工艺可能不合理是造成密集型裂纹缺陷的主要原因。

大型锻件的锻造是锻造行业的难点之一，我公司十分重视大型锻件的研究动态和新工艺的应用。为充分破碎铸件中的碳化物，采用了80 MN水压机对4Cr13钢模块进行了锻比>5的三墩三拔锻造工艺制度。为充分保证心部沿晶碳化物在加热时的溶解，采用了类似文献[6]的4Cr13大型模块的锻造加热制度，其关键在于将开锻温度提高到1250℃。大吨位锻机和新工艺的应用产生了十分良好的效果，在此之前，4Cr13大型模块从未出现心部缺陷问题。为了探明原因，首先采用金相显微镜对4Cr13钢模块大截面心部试样进行了金相观察，其组织为马氏体基体上均匀分布的碳化物，未发现沿晶碳化物。图3(a)为4Cr13钢模块大截面心部试样的SEM照片，图中晶界清晰可见，细小的颗粒状或短棒状碳化物较均匀地分布在基体上，显然，它们具有锻后冷却相变析出的碳化物特征。这充分说明了锻造工艺制度是合理的，保证了大碳化物的破碎及碳化物锻造加热时充分溶入奥氏体中。

图3(b)为4Cr13钢模块大截面心部裂纹处的SEM照片。可以看出，裂纹较深较宽，而其末端比较圆钝且有数条微裂纹。沿晶碳化物引起的裂纹一般细而长[7]，此外，微裂纹处未观察到沿晶碳化物的存在。这些结果强烈的表明了心部密集裂纹非锻造工艺不当造成的。如图3(b)中箭头所指，裂纹末端有大量较大的黑色夹杂物存在，且微裂纹沿着夹杂物扩展，这暗示着心部裂纹的产生可能与夹杂物有关。通过能谱仪(EDS)分析，可以发现夹杂物为硅酸盐类脆性夹杂，见图3(c)、图3(d)。

图4分别给出了4Cr13模块心部夹杂物形貌和夹杂引起的裂纹扩展。由图4可以发现，试样中有较多的球形和三角形的深色夹杂物，通过能 谱分析发现为硅酸盐脆性夹杂，其分布的数量已超过了GB/T 10561—2005的评级范围。铸件的检测并未发现心部有密集型缺陷存在，因此可能与以下因素有关：

图3 4Cr13模块心部SEM组织特征Figure 3 SEM organization characteristic of the center of 4Cr13 block

(1)4Cr13模块来件的近似尺寸为2000 mm ×600 mm×600 mm，表面到心部的厚度达300mm，超声检测很难准确探测到缺陷。

(a)心部夹杂物形貌 (b)夹杂引起的裂纹扩展图4 4Cr13模块心部夹杂物形貌和夹杂引起的裂纹扩展Figure 4 Morphology of inclusions at center of 4Cr13 block and the crack propagation induced by inclusions

(2)密集夹杂物的大小未达到超声探测的范围。在80 MN压机锻造时，带有尖角的脆性硅酸盐夹杂物将在尖角处产生巨大的应力集中，应力集中超过材料强度时产生裂纹。同时脆性的夹杂发生破碎脱落，形成小坑，在锻造过程中裂纹进一步扩展。最终在锻件心部形成长约3 mm的密集型缺陷。图4(b)中可以十分清晰地看到较大的三角形夹杂的尖角处产生了裂纹，并且在进一步的锻造过程中形成三角形的小坑，裂纹沿夹杂物向前扩展。由于锻件的检测深度减小到200 mm，且裂纹缺陷比夹杂物的长度大得多，因此检测出心部有密集型缺陷。

3 结论

通过对4Cr13模块心部密集型缺陷的低倍酸洗和高倍下的金相及SEM/EDS分析，发现心部缺陷为约3 mm的裂纹，这不是白点缺陷。心部组织为碳化物，均匀分布在马氏体基体上，未见沿晶碳化物分布。在裂纹末端和扩展路径中发现大量的球形和三角形硅酸盐脆性夹杂物。上述研究明确了，4Cr13大型模块的锻造工艺合理，其心部的密集型缺陷是由钢件心部的大量的脆性硅酸盐夹杂引起的。建议4Cr13模块的生产产家宜采用更先进的冶炼设备，更科学的冶炼工艺，更严格的在线检测和生产管理，切实降低此类问题的出现，提高产品的质量。

[1] 模具行业信息[J]. 模具工业，2015(1)：7-10.

[2] 相黎阳. 4Cr13型耐蚀塑料模具钢模块的组织和性能研究[D]. 昆明理工大学，2015.

[3] 万文红. 4Cr13不锈钢模具开裂原因分析及改进措施[J]. 安徽冶金科技职业学院学报，2013，23(3)：13-15.

[4] 崔清. Q&P 工艺对40Cr13型马氏体不锈钢组织与性能影响的研究[D]. 东北大学，2014.

[5] 中国航空材料手册编辑委员会. 中国航空材料手册[M]. 第2版. 北京：中国标准出版社，2002.

[6] 苏继伟，曲远东. 40Cr13塑料模具钢锻造工艺研究[J]. 大型铸锻件，2013(5)：45-47.

[7] A. I. Z. Farahat, A. W. E. Morsy, T. A. E. Bitar, et al. Severe plastic deformation of large-scale Nb-microalloyed steel billet by multi-directional forging process[J]. Steel Research International, 2014, 85 (5): 884-850.

编辑 杜青泉

Analysis of Intensive Defects at Center of 4Cr13 Block

XuLiangle,WuGaoming,SiTingzhi

Through observing the low power pickling sample to find out the intensive defects at the center of 4Cr13 block. Through analyzing the fault to find out that the reason of intensive defects appearing at the center of block was a large number of brittle silicate inclusions at the center of steel.

4Cr13 steel, block, crack, inclusion

TG156.35

B

2017—04—14

徐良乐(1972—)，男，工程师，研究方向：钢铁研究和生产管理。