3种高Mo热作模具钢组织及性能对比研究

牟风

（抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁抚顺113001）

1 引言

近几年，我国汽车、航空航天、重大基础制造装备等工业进入高速发展期，模具大型化、复杂化、精密化趋势日益增强。随着铝合金在汽车发动机机组、空间框架、汽车板、轮毂等零部件上的大量应用，对模具、对材料的纯净度、组织均匀性、冲击韧性，尤其是等向性提出了更高的要求。过去很长一段时间，这类压铸模具材料主要为含铬5%系列的热作模具钢H11和H13，这类模具钢实际使用中，H11钢的塑、韧性偏高，强度、硬度比H13钢稍低[1]，而H13钢的塑、韧性偏低，这对于受热严重的模具来说仍不能满足使用要求。为此，近年来国内一些模具钢生产厂家开始研发高Mo压铸模具钢用以适用越来越复杂的大型压铸模具钢。

抚钢研制的FS448目前已成功应用于汽车发动机缸体、缸体水套、汽车离合器壳体等大中型复杂精密模具，成倍提高压铸模具的使用寿命。满足国内高端压铸模用钢需求。

2 高Mo热作模具钢

高Mo热作模具钢是在H13钢的基础上增加了Mo的含量，同时降低了C、Si和V的含量，使其具有均匀的组织，良好的高温强度、良好的韧性，可用作压铸模、热挤压模、温锻模和其它的热成型模具。代表钢种对应国内牌号4Cr5Mo2V、4Cr5Mo3V，德国牌号1.2367，伯乐牌号DIEVAR。研究发现，Mo含量的提高可以增加M2C碳化物的形成驱动力，延缓MC和M2C向M23C6转变[2]，经高温回火析出M2C型碳化物产生二次硬化，可有效改善钢的高温性能，使该类钢具有更加优良的抗热疲劳、抗热冲击和抗热磨损性能，具有更长的使用寿命。

3 研究方案

为标定国内其他厂家大尺寸高Mo类压铸模块的质量水平，通过分析国内其他两家大型特殊钢生产企业生产的同类钢种与抚钢研发的FS448内部质量方面进行对比分析。

外厂两种对比试验钢形貌如图1所示，试样原始规格及详细信息如表1所示。试样均取至锻扁心部。对3种试验钢进行宏观低倍组织、化学成分分析、气体含量分析、退火硬度、夹杂物、退火组织、冲击韧性、抗拉强度、热处理后显微组织等进行检验分析。

图1 试片形貌

表1 试样原始规格及详细信息

4 研究结果与分析

（1）宏观低倍组织。

3种试验钢经盐酸和水1:1体积混合腐蚀液中进行低倍酸浸试验，酸液温度为70±10℃，酸浸时间为30min,按照ASTM A604-07、GB/T 1299-2014检验与评级（见表2）。3种试验钢低倍组织良好，无肉眼可见的低倍缺陷，中心疏松和锭形偏析等均满足标准要求，如图2所示。

表2 3种试验钢低倍评级

图2 3种试验钢宏观低倍组织

（2）化学成分分析。

3种试验钢化学成分（见表3）类似，相当于4Cr5Mo2V。杂质元素S、P含量都很低，S含量0.001%，P含量0.004~0.005%，A钢Mo含量最高，B钢和FS448成分接近。

表3 3种试验钢化学成分 %

（3）气体含量。

通过对3种试验钢气体含量（见表4）的测定，B钢氧含量最低为10ppm，其次为FS448钢12ppm，A钢氧含量最高为17ppm；氮含量A最高，为183ppm，FS448钢氮含量最低为89ppm。FS448电渣重熔采用多元渣系，并在氩气气氛下重熔，对氧、氮含量的控制更有优势。

表4 3种试验钢气体含量 %

（4）退火硬度。

3种试验钢交货状态组织为“球状珠光体+碳化物”。退火硬度均在170HB左右（见表5），说明3种试验钢均具有优良的切削加工性能。

表5 3种试验钢退火硬度

（5）非金属夹杂物。

钢中的非金属夹杂物能够破坏金属的连续性，易引起应力集中，在外界应力作用下，裂纹延伸很容易发展扩大而导致模具失效[3]。FS448钢的冶炼采用EAF+LF+VD+气体保护电渣重熔技术，电炉冶炼电极采用氧化法冶炼除磷，加强炉外精练的脱硫及真空脱气；电渣重熔采用多元渣系，并在氩气气氛下重熔。采用以上技术可以使FS448钢的非金属夹杂物细小、弥散，经对比，抚钢的FS448四类夹杂物总和为2.0级，A钢和B钢4类夹杂物总和为2.5级，FS448纯净度更好（见表6）。

表6 3种试验钢非金属夹杂物

（6）显微组织。

由于该类高Mo热作模具钢C含量并不太高，仅为0.4%左右，但合金元素总量达9%，属过共析钢[4]，该类钢含有较多的Cr、Mo等碳化物形成元素，球化较H13钢困难。抚钢FS448采用高温均质化处理可减少钢中碳化物的偏析，有利于改善钢的各向异性；同时采用多向锻造、组织细化处理的方法可使钢中的碳化物分布趋于均匀。

金相试样经磨、抛后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察3种试验钢的退火组织（见图3）。并根据标准NADCA 207#-2003对试验钢进行带状组织及球化组织进行评级（见表7）。3种试验钢带状组织均在可接受范围内，球化组织A钢和B钢不合格，FS448钢AS6合格，如图4所示。

表7 3种试验钢退火组织评级

图3 3种试验钢退火显微组织（500x）

图4 4种试验钢带状组织（50x）

（7）晶粒度。

经1,010℃±10℃保温30分钟，分级淬火至730℃±10℃保温30分钟，然后空冷至室温，观察3种试验钢的晶粒度，A钢晶粒更细，为8级，B钢和FS448为7级，如图5所示。

图5 3种试验钢的晶粒度

（8）冲击性能。

试样经同一热处理制度，硬度调整到44.6~46.2HRC，进行10×10mm开V口冲击测试和7×10mm无缺口冲击测试。经检测，3种试验钢V口冲击均在20J以上（见图6），满足NADCA标准中≥19J要求。FS448钢V口冲击及无缺口冲击均表现最好，V口冲击为23.6J，无缺口冲击值458J。

图6 3种试验钢冲击值

（9）拉伸性能。

3种试验钢按标准取拉伸试样，试样经1,030℃下保温30min，油冷至室温，再在600℃下回火2h，回火两次。热处理均在箱式电阻炉中进行。A钢抗拉强度最高1,699N/mm2，B钢和FS448强度相当（见表8）。

表8 3种试验钢力学性能

（10）热处理后显微组织。对3种试验钢淬火及两次回火后的显微组织进行对比分析，组织均为细小的板条状回火马氏体，其上分布有细小的碳化物（见图7）。根据NADCA 207#-2003标准图谱检验，3种试验钢热处理后显微组织均满足标准要求。

图7 3种试验钢600℃回火组织（淬火温度1030℃）

5 结论

（1）通过质量对比分析，抚钢的FS448在气体含量、夹杂物、显微组织及冲击韧性方面均表现为较高的水平；拉伸性能略低；低倍组织、退火硬度、晶粒度、热处理后显微组织等指标与其它两种对标钢种质量相当。

（2）通过质量标定，了解了国内A厂和B厂同类产品的质量水平，对抚钢FS448材料在国内有了比较准确的定位，为该类产品市场开发提供了依据。