4Cr5MoSiV1钢是一种中耐热韧性钢，主要含有Cr、Mo、V等元素，其具有良好的抗冷热疲劳性能，是目前最具代表性的热作模具钢。4Cr5Mo2V钢是在4Cr5MoSiV1钢基础上开发的新一代高性能热作模具钢。4Cr5Mo2V钢较4Cr5MoSiV1钢的Si、V元素含量低，Mo元素含量高。降低Si元素的含量，提高Mo元素的含量是压铸用热作模具钢合金化设计上的一种趋势。4Cr5Mo2V钢具有良好的热强性、淬透性、耐磨性，以及较高的韧性。

 

     4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢都被广泛应用于制作压铸模、热锻模、热挤压等热作模具，目前对这两种钢组织和性能的对比情况研究较少。研究人员对4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢的钢锭铸态组织、锻材成品组织及冲击韧性等方面进行对比分析，分析结果对实际生产具有一定的参考意义。

 

1、试验材料与方法

 

1.1 试验材料

 

      试验材料为采用电炉+钢包精炼炉+真空脱气炉+电渣重熔工艺生产的钢锭，试样材料的化学成分如表1所示。钢锭经高温扩散、多向锻造、超细化等工艺处理，模块成品尺寸（长度×宽度）为（200~300）mm×（400~800）mm。

 

1.2 试验方法

 

      分别在电渣锭冒口端横截面的边缘、半径、心部位置取金相试样，在模块横截面心部取金相试样，试样经预磨、抛光、腐蚀处理，利用光学显微镜对试样进行金相检验。

 

   分别将4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢电渣锭锻制成宽度为600mm，厚度分别为250，260，270，280mm的模块。分别沿4种不同厚度的模块截面中心部位切取横向夏比无缺口冲击试样，将4组试样分别编号为1~4。将试样在（1030±10）℃下保温30min，然后进行油淬和二次高温回火。经热处理后试样的硬度为（45±1）HRC。依据GB/T 229—2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行冲击试验。利用扫描电镜（SEM）和能谱仪对4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢调质组织进行分析。

 

    应用JMatPro软件对平衡条件下4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢中存在的相及其相对含量进行计算。

 

2、试验结果与分析

 

2.1 钢锭的铸态组织

 

     4Cr5Mo2V钢锭和4Cr5MoSiV1钢锭横截面不同位置的显微组织形貌分别如图1，2所示。由图1，2 可知：4Cr5Mo2V钢锭和4Cr5MoSiV1钢锭的表面到中心均存在成分偏析，且偏析程度越来越严重；两种钢锭的组织不均匀，黑色合金偏析区域中存在亮白色大块共晶碳化物，4Cr5Mo2V钢锭中的共晶碳化物含量低于4Cr5MoSiV1钢锭。大块共晶碳化物和偏析会显著降低模具钢的塑性，尤其是模块心部横截面方向的性能。

2.2 锻造成品的组织和冲击性能

 

2.2.1 退火组织和带状偏析

 

      4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢经高温扩散、锻造、超细化处理后的带状和球化组织均较好，碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上（见图3，4），按照NADCA#207《优质和高级优质H13钢及其压铸模具钢的热处理验收标准》判定为合格。

2.2.2 冲击韧性

 

     图5为4组不同厚度4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢试样的横向无缺口冲击测试结果。由图5可知：4Cr5Mo2V钢的冲击韧性较4Cr5MoSiV1钢提高约30%。

 

2.2.3 扫描电镜及能谱分析

 

     4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢调质组织的SEM形貌如图6所示。由图6可知：4Cr5Mo2V钢调质组织均匀，4Cr5MoSiV1调质组织中仍可见一次碳

 

化物。能谱分析结果显示，4Cr5MoSiV1钢调质组织中一次碳化物主要含有V元素，还有少量Cr、Mo元素（见图7）。

 

 

 

 

2.3 相图计算及分析

 

      利用JMatPro软件计算平衡条件下4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢在各温度下的组成相及其相对含量，结果分别如图8，9所示。由图8，9可知：4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢中MC 相完全溶于基体的温度分别为1040，1100℃，MC相主要含有V元素，还有Cr、Mo元素；V元素含量降低，Mo元素含量升高，改变了4Cr5Mo2V钢中MC相的稳定性，使其熔入奥氏体的温度较4Cr5MoSiV1钢降低了60℃；当温度为300℃时，4Cr5Mo2V钢中MC 相的相对含量为0.3%，当温度为890℃时，4Cr5Mo2V钢中MC相的相对含量最高，为0.69%；当温度为300℃时，4Cr5MoSiV1钢中MC相的相对含量为0.54%，当温度为900℃时，4Cr5MoSiV1钢中MC相的相对含量最高，达到1.28%；4Cr5Mo2V钢中MC相液析碳化物的溶解温度和含量均低于4Cr5MoSiV1钢。模拟结果显示4Cr5Mo2V 钢调质组织中未见一次碳化物，4Cr5MoSiV1钢含有以V元素为主的一次碳化物，与SEM分析结果一致。

 

 

 

3、结论

 

    （1）4Cr5Mo2V钢锭铸态组织中的偏析程度及一次碳化物含量低于4Cr5MoSiV1钢。

 

    （2）两种钢的带状组织和球化组织均符合退火组织的标准要求；4Cr5Mo2V钢调质组织均匀，4Cr5MoSiV1钢调质组织中存在以V元素为主的一次碳化物。

 

    （3）4Cr5Mo2V钢中的V元素含量低于4Cr5MoSiV1钢，Mo元素含量高于4Cr5MoSiV1 钢，从而使钢中MC相的稳定性发生改变。4Cr5Mo2V钢中高熔点MC相液析碳化物的溶解温度和含量较4Cr5MoSiV1钢低。液析碳化物含量减少，有助于提升材料的冲击韧性，4Cr5Mo2V钢的冲击韧性较4Cr5MoSiV1钢提高约30%。

 

作者：冯明明 1，2，曹立军1，2，姚宏康1，2

 

单位：1. 唐山志威科技有限公司；

 

2.河北省工模具钢技术创新中心

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第7期

 

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 钢 疲劳性能 组织结构