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。4Cr5Mo2V鋼是在4Cr5MoSiV1鋼基礎上開發(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。降低Si元素的含量，提高Mo元素的含量是壓鑄用熱作模具鋼合金化設計上的一種趨勢。4Cr5Mo2V鋼具有良好的熱強性、淬透性、耐磨性，以及較高的韌性。

     4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼都被廣泛應用于制作壓鑄模、熱鍛模、熱擠壓等熱作模具，目前對這兩種鋼組織和性能的對比情況研究較少。研究人員對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行對比分析，分析結果對實際生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1、試驗材料與方法

1.1 試驗材料

      試驗材料為采用電爐+鋼包精煉爐+真空脫氣爐+電渣重熔工藝生產(chǎn)的鋼錠，試樣材料的化學成分如表1所示。鋼錠經(jīng)高溫擴散、多向鍛造、超細化等工藝處理，模塊成品尺寸（長度×寬度）為（200~300）mm×（400~800）mm。

1.2 試驗方法

      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)預磨、拋光、腐蝕處理，利用光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗。

   分別將4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼電渣錠鍛制成寬度為600mm，厚度分別為250，260，270，280mm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缺口沖擊試樣，將4組試樣分別編號為1~4。將試樣在（1030±10）℃下保溫30min，然后進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 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行沖擊試驗。利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀對4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調(diào)質(zhì)組織進行分析。

    應用JMatPro軟件對平衡條件下4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼中存在的相及其相對含量進行計算。

2、試驗結果與分析

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，且偏析程度越來越嚴重；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。

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)高溫擴散、鍛造、超細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（見圖3，4），按照NADCA#207《優(yōu)質(zhì)和高級優(yōu)質(zhì)H13鋼及其壓鑄模具鋼的熱處理驗收標準》判定為合格。

2.2.2 沖擊韌性

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

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)組織中仍可見一次碳

化物。能譜分析結果顯示，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（見圖7）。

2.3 相圖計算及分析

      利用JMatPro軟件計算平衡條件下4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼在各溫度下的組成相及其相對含量，結果分別如圖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1040，1100℃，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℃；當溫度為300℃時，4Cr5Mo2V鋼中MC 相的相對含量為0.3%，當溫度為890℃時，4Cr5Mo2V鋼中MC相的相對含量最高，為0.69%；當溫度為300℃時，4Cr5MoSiV1鋼中MC相的相對含量為0.54%，當溫度為900℃時，4Cr5MoSiV1鋼中MC相的相對含量最高，達到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。模擬結果顯示4Cr5Mo2V 鋼調(diào)質(zhì)組織中未見一次碳化物，4Cr5MoSiV1鋼含有以V元素為主的一次碳化物，與SEM分析結果一致。

3、結論

    （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準要求；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%。

作者：馮明明 1，2，曹立軍1，2，姚宏康1，2

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2.河北省工模具鋼技術創(chuàng)新中心

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第7期