热作模具钢4Cr5Mo2V锯切异常原因分析

燕 云，牟 风，刘宝石，马 野，蔡 清

抚顺特殊钢股份有限公司（辽宁抚顺 113001）

1 引言

近几年，随着我国工业、汽车及加工行业的快速发展，压铸用热作模具钢的使用也越来越多，目前我国压铸模具钢已逐步与国际接轨，形成了以1.2344、1.2343、1.2367为基础的系列压铸模具用钢。目前，从合金化成分设计的研究看，低Si高Mo的合金化设计在保持模具材料良好的热强性的同时，又能够提高韧性，此类合金化设计途径是压铸用热作模具钢成分设计上的一种趋势[1]。抚顺特钢生产的4Cr5Mo2V钢在H13钢的基础上适当降低Si、V含量、提高Mo含量，在淬硬条件下具有较高的韧性，同时具有优良的抗热裂能力，是一种强韧兼有的空冷硬化型热作模具用钢，可以广泛应用于压铸模、挤压模、热锻模等。

2 分析材料

热作模具钢4Cr5Mo2V材料冶炼过程采用UHP冶炼钢水，LF炉外精炼，VD炉真空脱气，氩气保护浇注，再经保护气氛电渣重熔钢锭；热加工过程采用高温均质化处理，多向锻造，组织超细化处理技术等生产工艺。经以上工艺生产的4Cr5Mo2V钢有效地控制钢水中的非金属夹杂物级别，钢内部组织均匀，具有良好的等向性能。试验钢的化学成分如表1所示。

表1 4Cr5Mo2V钢的化学成分 %

试验材料按GB/T 10561标准检验非金属夹杂物，表2为4Cr5Mo2V钢非金属夹杂物检验结果。

表2 4Cr5Mo2V钢的纯净度

从表2可以看出，通过UHP+LF+VD冶炼电极，保护气氛电渣重熔工艺生产的4Cr5Mo2V钢中各类夹杂物粗系均为0级，氧化物夹杂细系为0.5级，钢材具有良好的纯净度。

3 缺陷分析及讨论

3.1 宏观形貌

本文研究的4Cr5Mo2V钢成品模块横截面尺寸480×810mm，长度约3m，需根据模具尺寸要求使用带锯切割。4Cr5Mo2V钢成品模块经横向锯切后，在锯切表面可见分布不均的异常凸起点，大部分沿原材宽度方向呈带状分布。锯切后的钢材表面形貌如图1所示。

图1 4Cr5Mo2V钢横向试片形貌

3.2 硬度测试

为测试硬度，将钢材上存在异常凸起的部分切割成约30×40mm的试样（见图2），使用布氏硬度计在试样上测试宏观硬度，结果为181.5～186.4HB，4Cr5Mo2V热作模具钢要求退火硬度≤229HB，硬度值并无异常。随后将试样进行腐蚀，使用维氏硬度计进行显微硬度测试。

图2 硬度试样制备

在硬度试样上随机选取2个异常凸起点进行维氏硬度测试，图3显示了维氏硬度测试点，图中白色区域为宏观显示的异常凸起点，黑色区域为正常基体组织。

图3 维氏硬度测试位置

从维氏硬度测试结果看，异常凸起点与正常基体硬度差别较大，凸起处硬度值达到47.8～56.3HRC，远高于基体硬度（20.7～33.0HRC）。具体硬度测试结果如表3所示，单位HV0.3/HRC（HRC为换算值）。

表3 4Cr5Mo2V钢维氏硬度结果

从以上硬度测试结果可以看出，由于钢材小范围区域硬度值异常升高，造成钢材锯切时硬度高的区域形成凸起状态，而硬度正常的区域不会出现这种现象。

3.3 显微组织分析

为研究钢材显微硬度异常的原因，将试样经320#→800#→1000#→1500#砂纸研磨，并进行金相抛光，抛光后的金相试样经5%硝酸酒精腐蚀1～2min，在金相显微镜50倍、100倍及500倍下观察显微组织形态，如图4所示。

图4 缺陷处显微组织

4Cr5Mo2V钢经过球化退火后获得的基体组织应是球状珠光体和弥散分布的细颗粒的合金碳化物[2]。但从图4的显微组织照片中可以明显观察到不同的组织形态，其基体上碳化物分布不均，形成深浅不同的组织形态。而宏观凸起位置在腐蚀后呈白亮色，几乎未出现腐蚀产物，同时周边存在针叶状贝氏体组织。退火态组织中碳化物分布极不均匀，聚集在晶界处，并且在局部地方连成链状碳化物。钢中存在未完全球化的粗大的贝氏体组织，碳化物退火过程中沿贝氏体界面析出，形成针叶状组织。

说明钢材中存在的异常组织明显区别于正常基体组织，而异常组织的存在导致该区域硬度明显不同，最终体现在钢材经锯切时出现凸起。

3.4 扫描电镜分析

将异常试样通过金相试样经扫描电子显微镜（SEM）分析，在1,000倍下进行扫描，如图5所示。

图5 缺陷处扫描电镜分析

试样正常区域在1,000倍下可观察到分布在铁素体基体上的碳化物，但不同基体区域上的碳化物颗粒形貌不同，在图片上显示为弥散颗粒状珠光体组织及针叶状贝氏体组织，且碳化物弥散程度不同，呈现碳化物密集区域及碳化物稀疏区域分布。而缺陷部位呈大的单一块状组织，基本无颗粒状碳化物分布。

通过扫描电镜能谱仪对试样进行成分对比，如表4所示。通过能谱的结果来看，试样正常区域的C、Mo、V稍高于缺陷区。所以，该缺陷区域排除了异金属夹杂的可能，缺陷的成分与正常区成分基本相同[3]。

表4 缺陷区和正常区扫描能谱分析结果

通过扫描电子显微镜对缺陷试样的组织和化学成分进行观察和分析，正常组织中碳化物呈区域状态弥散分布，析出的碳化物以Cr、Mo元素为主，同时含有部分V元素的合金碳化物。异常组织上几乎没有碳化物析出，为单一形貌。

经过上述各项检验和分析，缺陷区实际为球化退火不良导致，因4Cr5Mo2V钢采用等温球化退火工艺，正常应在Ac1以上适当温度进行奥氏体化，再随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，使大部分未溶入奥氏体中的碳化物，在冷却过程中作为碳化物形核的质点，使碳化物弥散分布。但实际生产过程中，由于燃气式退火炉局部偏温，导致退火炉中个别区域实际温度偏离设定温度较大，使得钢材在偏离Ar1较多的温度下进行等温，钢中不同位置碳化物析出程度严重不均，个别区域碳化物未析出或呈一定位相析出，同时形成部分针叶状贝氏体组织。最终呈现出异常的空白组织状态及整个试样上球化组织不均匀分布。

3.5 机械性能分析

为确定异常组织对钢材冲击性能的影响，在钢材横向截面试片上选取同一位置，分别切取存在异常凸起及正常的的试片，试片尺寸50×60×20mm。2个试片同炉经1,025℃油冷淬火，610℃回火两次，两个试片的硬度调整为45～46HRC。两个试片均沿同一方向分别切取10×10×55mm开V型口标准冲击试样，按GB/T229标准进行冲击测试。冲击值结果如表5所示。

表5 4Cr5Mo2V钢冲击性能

从以上冲击测试结果可以看出，4Cr5Mo2V钢正常横向冲击平均值达到23.8J，大于19J，满足NADCA#207-2003《北美压铸协会优质H13钢验收标准》中超级钢要求。而存在异常组织的位置横向冲击平均值22.9J，但冲击值最大值与最小值之差8.4J，对比正常区域冲击值最大值与最小值之差1.8J明显变大。说明4Cr5Mo2V钢中异常组织的存在对冲击性能的稳定程度存在一定的影响，但仍能满足NADCA#207-2003《北美压铸协会优质H13钢验收标准》中超级钢要求。

3.6 异常组织的改善

为改善4Cr5Mo2V钢中的异常组织，将异常组织试样按不同热处理工艺进行重新处理试验，具体工艺如表6所示。

表6 缺陷试样热处理工艺

试样经再次球化退火，在金相显微镜下观察试样的显微组织，如图6所示。试样显微组织中的空白组织有一定减少，但未能彻底消除该种异常组织。按NADCA#207-2003退火显微组织评级图谱评定为AS18级不合格。

图6 经球化退火后的显微组织

试样经组织超细化处理+球化退火，在金相显微镜下观察试样的显微组织，如图7所示。处理后的试样显微组织中已经看不到空白组织，但球化组织不均匀，部分碳化物呈网状分布，500倍下观察有一部分碳化物呈一定位向平行排列，并存在呈三角形位向分布情况[4]。按NADCA#207-2003退火显微组织评级图谱评定为AS10级不合格。

试样经正火+组织超细化处理+球化退火，在金相显微镜下观察试样的显微组织，如图8所示。试样显微组织中空白组织已经完全消失，碳化物分布较为均匀，按NADCA#207-2003退火显微组织评级图谱评定为AS4级合格。

图7 经组织超细化处理+球化退火后的显微组织

图8 经正火+组织超细化处理+球化退火后的显微组织

通过以上热处理实验说明通过正火+组织超细化处理+球化退火的热处理工艺可以完全消除4Cr5Mo2V钢中的异常组织，显微组织能够达到NADCA#207-2003标准要求。

4 结论

（1）因4Cr5Mo2V钢中存在硬度过高的异常组织导致锯切后产生凸起，凸起位置在高倍下腐蚀后表现为空白区域，同时周边存在针叶状组织。由于由于燃气式退火炉局部偏温，导致退火炉中个别区域实际温度偏离设定温度较大，使得钢材在偏离Ar1的温度下进行等温，钢中不同位置碳化物析出程度严重不均，个别区域碳化物未析出或呈一定位相析出，同时形成部分针叶状贝氏体组织。最终呈现出异常的空白组织状态及整个试样上球化组织不均匀分布。

（2）4Cr5Mo2V钢中异常组织的存在对冲击性能的稳定程度存在一定的影响，但仍能满足NADCA#207-2003《北美压铸协会优质H13钢验收标准》中超级钢要求。此异常组织可通过正火+组织超细化处理+球化退火完全消除。