4Cr13模塊心部密集型缺陷分析

徐良樂 吳高明 斯庭智

(馬鞍山市天馬冶金材料有限公司，安徽243004)

4Cr13模塊心部密集型缺陷分析

徐良樂 吳高明 斯庭智

(馬鞍山市天馬冶金材料有限公司，安徽243004)

通過觀察低倍酸洗試樣，發(fā)現(xiàn)4Cr13模塊心部存在密集型缺陷。通過失效分析，發(fā)現(xiàn)模塊心部的密集型缺陷是由鋼件心部的大量脆性硅酸鹽夾雜引起的。

4Cr13鋼；模塊；裂紋；夾雜物

近年來，我國模具工業(yè)技術(shù)水平取得了巨大的進(jìn)步，模具制造水平不斷提高。2015年我國模具行業(yè)總產(chǎn)值已突破2萬億元[1]，其中塑料模具鋼在進(jìn)出口中所占的比重都穩(wěn)居第一[2]。4Cr13屬于典型的中碳高鉻馬氏體型耐蝕塑料模具鋼，具有較高的強(qiáng)度、耐磨性、拋光性和耐腐蝕性，除塑料模具行業(yè)外，還廣泛應(yīng)用于高硬度及高耐磨性的熱油泵、耐腐蝕閥體和不銹鋼帶制品等領(lǐng)域[3-4]。

隨著塑料制品逐漸向著大型化發(fā)展，塑料模具的大型化發(fā)展是必然的趨勢。在大模塊產(chǎn)品生產(chǎn)時，長期以來由于鍛造工藝、熱處理工藝不當(dāng)?shù)纫蛩?，國產(chǎn)大截面4Cr13鋼模塊產(chǎn)品的質(zhì)量波動較大，往往存在比較嚴(yán)重的疏松、一次碳化物殘留、偏析、碳化物分布不均勻和夾雜等級過高等缺陷，對鋼的力學(xué)性能、耐蝕性能和拋光性能等造成了不利影響[2，5]，由此造成的企業(yè)間的質(zhì)量異議逐年增多。近日，我公司采用80 MN水壓機(jī)對某企業(yè)委托的大型4Cr13鋼模塊進(jìn)行了相關(guān)的鍛造處理，鍛后模塊的近似尺寸為3000 mm×600 mm×400 mm。經(jīng)鍛造后檢驗，各項力學(xué)性能都達(dá)到要求。然而，無損檢測結(jié)果顯示，模塊的心部存在大量密集型缺陷。為探明心部缺陷的形成原因，本文對模塊進(jìn)行了失效分析，為4Cr13塑料模具的質(zhì)量控制提供有益的參考。

1 試驗過程和方法

按照GB/T 20066—2006《鋼和鐵 化學(xué)成分測定用試樣的取樣和制樣方法》對4Cr13鋼模塊鍛坯進(jìn)行了化學(xué)成分分析試樣的截取，通過瑞士產(chǎn)ARL3460光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析。按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對鍛坯心部進(jìn)行了低倍組織試樣的取樣和酸蝕試驗。在心部缺陷處截取金相和夾雜物分析試樣，對其進(jìn)行磨平、拋光處理。采用鹽酸硝酸水(10∶1∶10)溶液對金相試樣進(jìn)行腐蝕。采用Olympus金相顯微鏡對夾雜物和金相試樣進(jìn)行觀察，并對照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對鋼中夾雜物進(jìn)行評級。用Nova Nano SEM 430高分辨掃描電子顯微鏡及其自帶的能譜儀對夾雜物形貌特征和成分進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果和討論

表1給出了實測的4Cr13鋼模塊的化學(xué)成分，與標(biāo)準(zhǔn)要求值相比較，只有Si含量稍稍超過標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。鑒于超出值在合理的范圍內(nèi)，若其他性能滿足要求，一般視同合格。然而，化學(xué)成分分析結(jié)果也預(yù)示著鋼材在冶煉時成分控制不是十分嚴(yán)格，大型模塊的心部可能存在一定的Si偏析或含有一定的硅酸鹽類夾雜。

圖1為4Cr13鋼模塊大截面心部低倍酸洗組織形貌。由圖1可知，未見試樣有點狀偏析，酸洗 面有多條較密集的裂紋缺陷(圖中箭頭所指)，裂紋長度達(dá)3 mm；裂紋形態(tài)非魚眼狀，結(jié)合表1中模塊實測的H含量，判斷裂紋不是白點缺陷。

表1 4Cr13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 4Cr13 steel (Mass,%)

圖1 4Cr13模塊心部低倍酸洗缺陷形貌Figure 1 Defect morphology of low power pickling sample at the center of 4Cr13 block

圖2 4Cr13模塊沖擊試樣斷口形貌Figure 2 Fracture morphology of impact sample of 4Cr13 block

為分析斷口形貌特征，按照GB/T 8363—2007《鐵素體鋼落錘撕裂試驗方法》對4Cr13鋼模塊大截面心部密集缺陷處進(jìn)行了落錘沖擊試驗。通過Nova NanoSEM 430高分辨掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行了觀察，其形貌特征如圖2所示。掃描電鏡(SEM)斷口整體呈現(xiàn)脆性斷裂的特征，說明裂紋缺陷對鋼材的沖擊韌性造成了巨大的損害。斷口上可以清晰地看出幾條較深的裂紋沿著晶界分布。由于4Cr13鋼合金元素含量高，在凝固過程中容易形成大尺寸網(wǎng)狀或魚骨狀碳化物，一般通過后期鍛造或軋制，凝固過程中形成的網(wǎng)狀、“魚骨狀”碳化物會被破碎，變成顆粒狀碳化物并沿著變形方向延伸形成帶狀碳化物。但由于鍛造比的不同，心部變形量小，可能會存在“變形死區(qū)”，即己形成的“魚骨狀”碳化物不易被破碎，在鍛造時心部易形成沿晶裂紋[2]。此外，鍛造加熱工藝設(shè)計不合理，即采用的開鍛溫度較低(≤1150℃)可能造成心部沿晶碳化物不能充分溶解，鍛后得以保留，有可能造成心部密集型沿晶裂紋的產(chǎn)生[6]。依據(jù)以上理由，委托企業(yè)認(rèn)為，我公司制定的鍛造工藝可能不合理是造成密集型裂紋缺陷的主要原因。

大型鍛件的鍛造是鍛造行業(yè)的難點之一，我公司十分重視大型鍛件的研究動態(tài)和新工藝的應(yīng)用。為充分破碎鑄件中的碳化物，采用了80 MN水壓機(jī)對4Cr13鋼模塊進(jìn)行了鍛比>5的三墩三拔鍛造工藝制度。為充分保證心部沿晶碳化物在加熱時的溶解，采用了類似文獻(xiàn)[6]的4Cr13大型模塊的鍛造加熱制度，其關(guān)鍵在于將開鍛溫度提高到1250℃。大噸位鍛機(jī)和新工藝的應(yīng)用產(chǎn)生了十分良好的效果，在此之前，4Cr13大型模塊從未出現(xiàn)心部缺陷問題。為了探明原因，首先采用金相顯微鏡對4Cr13鋼模塊大截面心部試樣進(jìn)行了金相觀察，其組織為馬氏體基體上均勻分布的碳化物，未發(fā)現(xiàn)沿晶碳化物。圖3(a)為4Cr13鋼模塊大截面心部試樣的SEM照片，圖中晶界清晰可見，細(xì)小的顆粒狀或短棒狀碳化物較均勻地分布在基體上，顯然，它們具有鍛后冷卻相變析出的碳化物特征。這充分說明了鍛造工藝制度是合理的，保證了大碳化物的破碎及碳化物鍛造加熱時充分溶入奧氏體中。

圖3(b)為4Cr13鋼模塊大截面心部裂紋處的SEM照片。可以看出，裂紋較深較寬，而其末端比較圓鈍且有數(shù)條微裂紋。沿晶碳化物引起的裂紋一般細(xì)而長[7]，此外，微裂紋處未觀察到沿晶碳化物的存在。這些結(jié)果強(qiáng)烈的表明了心部密集裂紋非鍛造工藝不當(dāng)造成的。如圖3(b)中箭頭所指，裂紋末端有大量較大的黑色夾雜物存在，且微裂紋沿著夾雜物擴(kuò)展，這暗示著心部裂紋的產(chǎn)生可能與夾雜物有關(guān)。通過能譜儀(EDS)分析，可以發(fā)現(xiàn)夾雜物為硅酸鹽類脆性夾雜，見圖3(c)、圖3(d)。

圖4分別給出了4Cr13模塊心部夾雜物形貌和夾雜引起的裂紋擴(kuò)展。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，試樣中有較多的球形和三角形的深色夾雜物，通過能 譜分析發(fā)現(xiàn)為硅酸鹽脆性夾雜，其分布的數(shù)量已超過了GB/T 10561—2005的評級范圍。鑄件的檢測并未發(fā)現(xiàn)心部有密集型缺陷存在，因此可能與以下因素有關(guān)：

圖3 4Cr13模塊心部SEM組織特征Figure 3 SEM organization characteristic of the center of 4Cr13 block

(1)4Cr13模塊來件的近似尺寸為2000 mm ×600 mm×600 mm，表面到心部的厚度達(dá)300mm，超聲檢測很難準(zhǔn)確探測到缺陷。

(a)心部夾雜物形貌 (b)夾雜引起的裂紋擴(kuò)展圖4 4Cr13模塊心部夾雜物形貌和夾雜引起的裂紋擴(kuò)展Figure 4 Morphology of inclusions at center of 4Cr13 block and the crack propagation induced by inclusions

(2)密集夾雜物的大小未達(dá)到超聲探測的范圍。在80 MN壓機(jī)鍛造時，帶有尖角的脆性硅酸鹽夾雜物將在尖角處產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中超過材料強(qiáng)度時產(chǎn)生裂紋。同時脆性的夾雜發(fā)生破碎脫落，形成小坑，在鍛造過程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。最終在鍛件心部形成長約3 mm的密集型缺陷。圖4(b)中可以十分清晰地看到較大的三角形夾雜的尖角處產(chǎn)生了裂紋，并且在進(jìn)一步的鍛造過程中形成三角形的小坑，裂紋沿夾雜物向前擴(kuò)展。由于鍛件的檢測深度減小到200 mm，且裂紋缺陷比夾雜物的長度大得多，因此檢測出心部有密集型缺陷。

3 結(jié)論

通過對4Cr13模塊心部密集型缺陷的低倍酸洗和高倍下的金相及SEM/EDS分析，發(fā)現(xiàn)心部缺陷為約3 mm的裂紋，這不是白點缺陷。心部組織為碳化物，均勻分布在馬氏體基體上，未見沿晶碳化物分布。在裂紋末端和擴(kuò)展路徑中發(fā)現(xiàn)大量的球形和三角形硅酸鹽脆性夾雜物。上述研究明確了，4Cr13大型模塊的鍛造工藝合理，其心部的密集型缺陷是由鋼件心部的大量的脆性硅酸鹽夾雜引起的。建議4Cr13模塊的生產(chǎn)產(chǎn)家宜采用更先進(jìn)的冶煉設(shè)備，更科學(xué)的冶煉工藝，更嚴(yán)格的在線檢測和生產(chǎn)管理，切實降低此類問題的出現(xiàn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 模具行業(yè)信息[J]. 模具工業(yè)，2015(1)：7-10.

[2] 相黎陽. 4Cr13型耐蝕塑料模具鋼模塊的組織和性能研究[D]. 昆明理工大學(xué)，2015.

[3] 萬文紅. 4Cr13不銹鋼模具開裂原因分析及改進(jìn)措施[J]. 安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013，23(3)：13-15.

[4] 崔清. Q&P 工藝對40Cr13型馬氏體不銹鋼組織與性能影響的研究[D]. 東北大學(xué)，2014.

[5] 中國航空材料手冊編輯委員會. 中國航空材料手冊[M]. 第2版. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6] 蘇繼偉，曲遠(yuǎn)東. 40Cr13塑料模具鋼鍛造工藝研究[J]. 大型鑄鍛件，2013(5)：45-47.

[7] A. I. Z. Farahat, A. W. E. Morsy, T. A. E. Bitar, et al. Severe plastic deformation of large-scale Nb-microalloyed steel billet by multi-directional forging process[J]. Steel Research International, 2014, 85 (5): 884-850.

編輯 杜青泉

Analysis of Intensive Defects at Center of 4Cr13 Block

XuLiangle,WuGaoming,SiTingzhi

Through observing the low power pickling sample to find out the intensive defects at the center of 4Cr13 block. Through analyzing the fault to find out that the reason of intensive defects appearing at the center of block was a large number of brittle silicate inclusions at the center of steel.

4Cr13 steel, block, crack, inclusion

TG156.35

B

2017—04—14

徐良樂(1972—)，男，工程師，研究方向：鋼鐵研究和生產(chǎn)管理。