4Cr5MoSiV1鋼是一種中耐熱韌性鋼,主要含有Cr、Mo、V等元素,其具有良好的抗冷熱疲勞性能,是目前最具代表性的熱作模具鋼[1]。4Cr5Mo2V鋼是在4Cr5MoSiV1鋼基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新一代高性能熱作模具鋼。4Cr5Mo2V鋼較4Cr5MoSiV1鋼的Si、V元素含量低,Mo元素含量高[2]。降低Si元素的含量,提高M(jìn)o元素的含量是壓鑄用熱作模具鋼合金化設(shè)計(jì)上的一種趨勢(shì)[3]。4Cr5Mo2V鋼具有良好的熱強(qiáng)性、淬透性、耐磨性,以及較高的韌性[4]。 

4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼都被廣泛應(yīng)用于制作壓鑄模、熱鍛模、熱擠壓等熱作模具[5-6],目前對(duì)這兩種鋼組織和性能的對(duì)比情況研究較少。筆者對(duì)4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼的鋼錠鑄態(tài)組織、鍛材成品組織及沖擊韌性等方面進(jìn)行對(duì)比分析,分析結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考意義。 

1.   試驗(yàn)材料與方法

1.1   試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采用電爐+鋼包精煉爐+真空脫氣爐+電渣重熔工藝生產(chǎn)的鋼錠,試樣材料的化學(xué)成分如表1所示。鋼錠經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散、多向鍛造、超細(xì)化等工藝處理,模塊成品尺寸（長(zhǎng)度×寬度）為（200~300） mm×（400~800） mm。 

1.2   試驗(yàn)方法

分別在電渣錠冒口端橫截面的邊緣、半徑、心部位置取金相試樣,在模塊橫截面心部取金相試樣,試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐蝕處理,利用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。 

分別將4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼電渣錠鍛制成寬度為600 mm,厚度分別為250,260,270,280 mm的模塊。分別沿4種不同厚度的模塊截面中心部位切取橫向夏比無(wú)缺口沖擊試樣,將4組試樣分別編號(hào)為1~4。將試樣在（1 030±10） ℃下保溫30 min,然后進(jìn)行油淬和二次高溫回火。經(jīng)熱處理后試樣的硬度為（45±1） HRC。依據(jù)GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀對(duì)4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織進(jìn)行分析。 

應(yīng)用JMatPro軟件對(duì)平衡條件下4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼中存在的相及其相對(duì)含量進(jìn)行計(jì)算。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   鋼錠的鑄態(tài)組織

4Cr5Mo2V鋼錠和4Cr5MoSiV1鋼錠橫截面不同位置的顯微組織形貌分別如圖1,2所示。由圖1,2可知：4Cr5Mo2V鋼錠和4Cr5MoSiV1鋼錠的表面到中心均存在成分偏析,且偏析程度越來(lái)越嚴(yán)重；兩種鋼錠的組織不均勻,黑色合金偏析區(qū)域中存在亮白色大塊共晶碳化物,4Cr5Mo2V鋼錠中的共晶碳化物含量低于4Cr5MoSiV1鋼錠。大塊共晶碳化物和偏析會(huì)顯著降低模具鋼的塑性,尤其是模塊心部橫截面方向的性能。 

圖  1  4Cr5Mo2V鋼錠橫截面不同位置的顯微組織形貌

圖  2  4Cr5MoSiV1鋼錠橫截面不同位置的顯微組織形貌

2.2   鍛造成品的組織和沖擊性能

2.2.1   退火組織和帶狀偏析

4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散、鍛造、超細(xì)化處理后的帶狀和球化組織均較好,碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上（見(jiàn)圖3,4）,按照NADCA#207《優(yōu)質(zhì)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼及其壓鑄模具鋼的熱處理驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》判定為合格。 

圖  3  4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼的帶狀組織形貌

圖  4  4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼的退火組織形貌

2.2.2   沖擊韌性

圖5為4組不同厚度4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼試樣的橫向無(wú)缺口沖擊測(cè)試結(jié)果。由圖5可知：4Cr5Mo2V鋼的沖擊韌性較4Cr5MoSiV1鋼提高約30%。 

圖  5  4組不同厚度4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼試樣的橫向無(wú)缺口沖擊測(cè)試結(jié)果

2.2.3   掃描電鏡及能譜分析

4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織的SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：4Cr5Mo2V鋼調(diào)質(zhì)組織均勻,4Cr5MoSiV1調(diào)質(zhì)組織中仍可見(jiàn)一次碳化物。能譜分析結(jié)果顯示,4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織中一次碳化物主要含有V元素,還有少量Cr、Mo元素（見(jiàn)圖7）。 

圖  6  4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織的SEM形貌

圖  7  4Cr5MoSiV1鋼組織中A點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

2.3   相圖計(jì)算及分析

利用JMatPro軟件計(jì)算平衡條件下4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼在各溫度下的組成相及其相對(duì)含量,結(jié)果分別如圖8,9所示。由圖8,9可知：4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼中MC相完全溶于基體的溫度分別為1 040,1 100 ℃,MC相主要含有V元素,還有Cr、Mo元素；V元素含量降低,Mo元素含量升高,改變了4Cr5Mo2V鋼中MC相的穩(wěn)定性,使其熔入奧氏體的溫度較4Cr5MoSiV1鋼降低了60 ℃；當(dāng)溫度為300 ℃時(shí),4Cr5Mo2V鋼中MC相的相對(duì)含量為0.3%,當(dāng)溫度為890 ℃時(shí),4Cr5Mo2V鋼中MC相的相對(duì)含量最高,為0.69%；當(dāng)溫度為300 ℃時(shí),4Cr5MoSiV1鋼中MC相的相對(duì)含量為0.54%,當(dāng)溫度為900 ℃時(shí),4Cr5MoSiV1鋼中MC相的相對(duì)含量最高,達(dá)到1.28%；4Cr5Mo2V鋼中MC相液析碳化物的溶解溫度和含量均低于4Cr5MoSiV1鋼。模擬結(jié)果顯示4Cr5Mo2V鋼調(diào)質(zhì)組織中未見(jiàn)一次碳化物,4Cr5MoSiV1鋼含有以V元素為主的一次碳化物,與SEM分析結(jié)果一致。 

圖  8  平衡條件下4Cr5Mo2V鋼中組成相的相對(duì)含量

圖  9  平衡條件下4Cr5MoSiV1鋼中組成相的相對(duì)含量

3.   結(jié)論

（1）4Cr5Mo2V鋼錠鑄態(tài)組織中的偏析程度及一次碳化物含量低于4Cr5MoSiV1鋼。 

（2）兩種鋼的帶狀組織和球化組織均符合退火組織的標(biāo)準(zhǔn)要求；4Cr5Mo2V鋼調(diào)質(zhì)組織均勻,4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織中存在以V元素為主的一次碳化物。 

（3）4Cr5Mo2V鋼中的V元素含量低于4Cr5MoSiV1鋼,Mo元素含量高于4Cr5MoSiV1鋼,從而使鋼中MC相的穩(wěn)定性發(fā)生改變。4Cr5Mo2V鋼中高熔點(diǎn)MC相液析碳化物的溶解溫度和含量較4Cr5MoSiV1鋼低。液析碳化物含量減少,有助于提升材料的沖擊韌性,4Cr5Mo2V鋼的沖擊韌性較4Cr5MoSiV1鋼提高約30%。 

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