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鋼基礎上開發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[3]。4Cr5Mo2V鋼具有良好的熱強性、淬透性、耐磨性,以及較高的韌性[4]。 

4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼都被廣泛應用于制作壓鑄模、熱鍛模、熱擠壓等熱作模具[5-6],目前對這兩種鋼組織和性能的對比情況研究較少。筆者對4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼的鋼錠鑄態組織、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+電渣重熔工藝生產的鋼錠,試樣材料的化學成分如表1所示。鋼錠經高溫擴散、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缺口沖擊試樣,將4組試樣分別編號為1~4。將試樣在（1 030±10） ℃下保溫30 min,然后進行油淬和二次高溫回火。經熱處理后試樣的硬度為（45±1） HRC。依據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鋼調質組織進行分析。 

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。 

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《優質和高級優質H13鋼及其壓鑄模具鋼的熱處理驗收標準》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%。 

圖  5  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

2.2.3   掃描電鏡及能譜分析

4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調質組織的SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：4Cr5Mo2V鋼調質組織均勻,4Cr5MoSiV1調質組織中仍可見一次碳化物。能譜分析結果顯示,4Cr5MoSiV1鋼調質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）。 

圖  6  4Cr5Mo2V鋼和4Cr5MoSiV1鋼調質組織的SEM形貌

圖  7  4Cr5MoSiV1鋼組織中A點的能譜分析結果

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鋼調質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。 

圖  8  平衡條件下4Cr5Mo2V鋼中組成相的相對含量

圖  9  平衡條件下4Cr5MoSiV1鋼中組成相的相對含量

3.   結論

（1）4Cr5Mo2V鋼錠鑄態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鋼調質組織均勻,4Cr5MoSiV1鋼調質組織中存在以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相的穩定性發生改變。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%。 

文章來源——材料與測試網