3種高Mo熱作模具鋼組織及性能對比研究

牟風

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順113001）

1 引言

近幾年，我國汽車、航空航天、重大基礎制造裝備等工業(yè)進入高速發(fā)展期，模具大型化、復雜化、精密化趨勢日益增強。隨著鋁合金在汽車發(fā)動機機組、空間框架、汽車板、輪轂等零部件上的大量應用，對模具、對材料的純凈度、組織均勻性、沖擊韌性，尤其是等向性提出了更高的要求。過去很長一段時間，這類壓鑄模具材料主要為含鉻5%系列的熱作模具鋼H11和H13，這類模具鋼實際使用中，H11鋼的塑、韌性偏高，強度、硬度比H13鋼稍低[1]，而H13鋼的塑、韌性偏低，這對于受熱嚴重的模具來說仍不能滿足使用要求。為此，近年來國內(nèi)一些模具鋼生產(chǎn)廠家開始研發(fā)高Mo壓鑄模具鋼用以適用越來越復雜的大型壓鑄模具鋼。

撫鋼研制的FS448目前已成功應用于汽車發(fā)動機缸體、缸體水套、汽車離合器殼體等大中型復雜精密模具，成倍提高壓鑄模具的使用壽命。滿足國內(nèi)高端壓鑄模用鋼需求。

2 高Mo熱作模具鋼

高Mo熱作模具鋼是在H13鋼的基礎上增加了Mo的含量，同時降低了C、Si和V的含量，使其具有均勻的組織，良好的高溫強度、良好的韌性，可用作壓鑄模、熱擠壓模、溫鍛模和其它的熱成型模具。代表鋼種對應國內(nèi)牌號4Cr5Mo2V、4Cr5Mo3V，德國牌號1.2367，伯樂牌號DIEVAR。研究發(fā)現(xiàn)，Mo含量的提高可以增加M2C碳化物的形成驅(qū)動力，延緩MC和M2C向M23C6轉(zhuǎn)變[2]，經(jīng)高溫回火析出M2C型碳化物產(chǎn)生二次硬化，可有效改善鋼的高溫性能，使該類鋼具有更加優(yōu)良的抗熱疲勞、抗熱沖擊和抗熱磨損性能，具有更長的使用壽命。

3 研究方案

為標定國內(nèi)其他廠家大尺寸高Mo類壓鑄模塊的質(zhì)量水平，通過分析國內(nèi)其他兩家大型特殊鋼生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的同類鋼種與撫鋼研發(fā)的FS448內(nèi)部質(zhì)量方面進行對比分析。

外廠兩種對比試驗鋼形貌如圖1所示，試樣原始規(guī)格及詳細信息如表1所示。試樣均取至鍛扁心部。對3種試驗鋼進行宏觀低倍組織、化學成分分析、氣體含量分析、退火硬度、夾雜物、退火組織、沖擊韌性、抗拉強度、熱處理后顯微組織等進行檢驗分析。

圖1 試片形貌

表1 試樣原始規(guī)格及詳細信息

4 研究結(jié)果與分析

（1）宏觀低倍組織。

3種試驗鋼經(jīng)鹽酸和水1:1體積混合腐蝕液中進行低倍酸浸試驗，酸液溫度為70±10℃，酸浸時間為30min,按照ASTM A604-07、GB/T 1299-2014檢驗與評級（見表2）。3種試驗鋼低倍組織良好，無肉眼可見的低倍缺陷，中心疏松和錠形偏析等均滿足標準要求，如圖2所示。

表2 3種試驗鋼低倍評級

圖2 3種試驗鋼宏觀低倍組織

（2）化學成分分析。

3種試驗鋼化學成分（見表3）類似，相當于4Cr5Mo2V。雜質(zhì)元素S、P含量都很低，S含量0.001%，P含量0.004~0.005%，A鋼Mo含量最高，B鋼和FS448成分接近。

表3 3種試驗鋼化學成分 %

（3）氣體含量。

通過對3種試驗鋼氣體含量（見表4）的測定，B鋼氧含量最低為10ppm，其次為FS448鋼12ppm，A鋼氧含量最高為17ppm；氮含量A最高，為183ppm，F(xiàn)S448鋼氮含量最低為89ppm。FS448電渣重熔采用多元渣系，并在氬氣氣氛下重熔，對氧、氮含量的控制更有優(yōu)勢。

表4 3種試驗鋼氣體含量 %

（4）退火硬度。

3種試驗鋼交貨狀態(tài)組織為“球狀珠光體+碳化物”。退火硬度均在170HB左右（見表5），說明3種試驗鋼均具有優(yōu)良的切削加工性能。

表5 3種試驗鋼退火硬度

（5）非金屬夾雜物。

鋼中的非金屬夾雜物能夠破壞金屬的連續(xù)性，易引起應力集中，在外界應力作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴大而導致模具失效[3]。FS448鋼的冶煉采用EAF+LF+VD+氣體保護電渣重熔技術(shù)，電爐冶煉電極采用氧化法冶煉除磷，加強爐外精練的脫硫及真空脫氣；電渣重熔采用多元渣系，并在氬氣氣氛下重熔。采用以上技術(shù)可以使FS448鋼的非金屬夾雜物細小、彌散，經(jīng)對比，撫鋼的FS448四類夾雜物總和為2.0級，A鋼和B鋼4類夾雜物總和為2.5級，F(xiàn)S448純凈度更好（見表6）。

表6 3種試驗鋼非金屬夾雜物

（6）顯微組織。

由于該類高Mo熱作模具鋼C含量并不太高，僅為0.4%左右，但合金元素總量達9%，屬過共析鋼[4]，該類鋼含有較多的Cr、Mo等碳化物形成元素，球化較H13鋼困難。撫鋼FS448采用高溫均質(zhì)化處理可減少鋼中碳化物的偏析，有利于改善鋼的各向異性；同時采用多向鍛造、組織細化處理的方法可使鋼中的碳化物分布趨于均勻。

金相試樣經(jīng)磨、拋后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察3種試驗鋼的退火組織（見圖3）。并根據(jù)標準NADCA 207#-2003對試驗鋼進行帶狀組織及球化組織進行評級（見表7）。3種試驗鋼帶狀組織均在可接受范圍內(nèi)，球化組織A鋼和B鋼不合格，F(xiàn)S448鋼AS6合格，如圖4所示。

表7 3種試驗鋼退火組織評級

圖3 3種試驗鋼退火顯微組織（500x）

圖4 4種試驗鋼帶狀組織（50x）

（7）晶粒度。

經(jīng)1,010℃±10℃保溫30分鐘，分級淬火至730℃±10℃保溫30分鐘，然后空冷至室溫，觀察3種試驗鋼的晶粒度，A鋼晶粒更細，為8級，B鋼和FS448為7級，如圖5所示。

圖5 3種試驗鋼的晶粒度

（8）沖擊性能。

試樣經(jīng)同一熱處理制度，硬度調(diào)整到44.6~46.2HRC，進行10×10mm開V口沖擊測試和7×10mm無缺口沖擊測試。經(jīng)檢測，3種試驗鋼V口沖擊均在20J以上（見圖6），滿足NADCA標準中≥19J要求。FS448鋼V口沖擊及無缺口沖擊均表現(xiàn)最好，V口沖擊為23.6J，無缺口沖擊值458J。

圖6 3種試驗鋼沖擊值

（9）拉伸性能。

3種試驗鋼按標準取拉伸試樣，試樣經(jīng)1,030℃下保溫30min，油冷至室溫，再在600℃下回火2h，回火兩次。熱處理均在箱式電阻爐中進行。A鋼抗拉強度最高1,699N/mm2，B鋼和FS448強度相當（見表8）。

表8 3種試驗鋼力學性能

（10）熱處理后顯微組織。對3種試驗鋼淬火及兩次回火后的顯微組織進行對比分析，組織均為細小的板條狀回火馬氏體，其上分布有細小的碳化物（見圖7）。根據(jù)NADCA 207#-2003標準圖譜檢驗，3種試驗鋼熱處理后顯微組織均滿足標準要求。

圖7 3種試驗鋼600℃回火組織（淬火溫度1030℃）

5 結(jié)論

（1）通過質(zhì)量對比分析，撫鋼的FS448在氣體含量、夾雜物、顯微組織及沖擊韌性方面均表現(xiàn)為較高的水平；拉伸性能略低；低倍組織、退火硬度、晶粒度、熱處理后顯微組織等指標與其它兩種對標鋼種質(zhì)量相當。

（2）通過質(zhì)量標定，了解了國內(nèi)A廠和B廠同類產(chǎn)品的質(zhì)量水平，對撫鋼FS448材料在國內(nèi)有了比較準確的定位，為該類產(chǎn)品市場開發(fā)提供了依據(jù)。