鈷和鎳對(duì)4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼抗熱損傷性能的影響

張 宇 黃澤軍 張恒華 吳曉春

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444; 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

鋁合金壓鑄是一種復(fù)雜的高溫高壓工藝，影響鋁合金壓鑄?？篃釗p傷(包括熱疲勞、熱熔損)性能的因素很多，其中熱作模具鋼的成分尤為重要[1]。正常情況下，壓鑄模因開裂和塑性變形等導(dǎo)致的失效是可以避免的。模具開裂通常是偶然的機(jī)械超載或熱超載，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中所致。壓鑄模早期熱疲勞龜裂和焊合熔損(表面熱損傷)是主要的失效形式，二者往往是相互影響的。4Cr5Mo2V鋼是目前應(yīng)用廣泛的熱作模具鋼，具有良好的耐磨性和抗塑性變形性能[2- 4]。鈷和鎳是常用的合金元素，能有效提升鋼的強(qiáng)度、硬度[5- 6]，對(duì)抗熱損傷有一定的作用，所以研究4Cr5Mo2V鋼、含1%Ni及含1%Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的4Cr5Mo2V鋼的抗鋁液損傷性能對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有較大的意義。

然而，目前研究壓鑄模具鋼熱損傷的方法多為模擬加熱與冷卻，模具鋼試樣并不直接接觸鋁液，沒(méi)有涉及鋁液的沖刷作用，如對(duì)模具鋼試樣直接進(jìn)行感應(yīng)加熱等[7- 8]。本文制備了3種成分的模具鋼試塊，并鑲嵌在壓鑄模中進(jìn)行了ADC12鋁合金的壓鑄試驗(yàn)，研究了在高溫高壓鋁液沖刷加熱與脫模劑噴涂冷卻的復(fù)合條件下試塊的抗鋁液損傷性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

4Cr5Mo2V鋼、含1%Ni的4Cr5Mo2V鋼(以下簡(jiǎn)稱為4Cr5Mo2V+Ni鋼)和含1%Co的4Cr5Mo2V鋼(以下簡(jiǎn)稱為4Cr5Mo2V+Co鋼)的化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)用ADC12鑄造鋁合金的化學(xué)成分如表2所示。

表1 試驗(yàn)用壓鑄模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the investigated die- casting die steels(mass fraction) %

表2 ADC12鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of the ADC12 aluminum alloy(mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方法

將退火態(tài)的4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼及4Cr5Mo2V+Co鋼加工成如圖1所示的試塊，真空氣淬后兩次回火，硬度約為47 HRC，精磨除去氧化皮。

圖1 鑲嵌于定模中的試塊的尺寸圖Fig.1 Dimension drawing of the test block inserted in a cover die

將試塊分組編號(hào)鑲嵌于定模的凹槽中，壓鑄鋁合金的型腔設(shè)置在動(dòng)模中，如圖2所示。采用500 t 臥式冷室壓鑄機(jī)和自行設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行ADC12鋁合金薄板的壓鑄試驗(yàn)，鋁合金重復(fù)使用。鋁液溫度較高，為800 ℃，以便加速試驗(yàn) (一般ADC12鋁合金的壓鑄溫度為(650±20) ℃)。由于鋁液溫度為800 ℃，未達(dá)到Fe- Al金屬間化合物的熔點(diǎn)，所以生成的化合物脫落后將以雜質(zhì)的形式存在于鋁液中，鋁液的反復(fù)使用也會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)增多，增強(qiáng)了鋁液的沖刷作用，從而加速試驗(yàn)。

壓鑄試驗(yàn)后，采用體式顯微鏡觀察試塊表面的粘鋁現(xiàn)象；采用超景深顯微鏡進(jìn)一步觀察試塊表面的粘鋁程度和有無(wú)裂紋。

圖2 鑲嵌在定模上的試塊(a)和動(dòng)模上成形的薄板(b)Fig.2 Test blocks inserted in cover die(a) and the shaped sheet in ejector die(b)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試塊的表面形貌

2.1.1 表面粘鋁

圖3為未經(jīng)壓鑄和經(jīng)過(guò)600、1 000次壓鑄后3種鋼試塊的表面形貌。由圖3(b,e,h)可知，經(jīng)600次壓鑄后，4Cr5Mo2V鋼試塊的粘鋁最嚴(yán)重，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊粘鋁最少。圖3(c,f,i)表明，1 000次壓鑄后3種試塊表面粘鋁均加劇，4Cr5Mo2V鋼試塊表面粘鋁明顯，而其他2種試塊粘鋁輕微，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊粘鋁最少且均勻，說(shuō)明含鈷4Cr5Mo2V鋼的抗鋁液損傷性能最佳，而4Cr5Mo2V鋼最差。鈷、鎳元素的加入有利于穩(wěn)定模具鋼的高溫硬度[9- 10]，在反復(fù)與鋁液接觸的過(guò)程中表面不易“軟化”，所以抗鋁液沖刷性能較好，粘鋁輕微。在壓鑄試驗(yàn)過(guò)程中，鋁液進(jìn)入型腔與試塊接觸，試塊的組織不均勻區(qū)、機(jī)加工缺陷區(qū)等局部區(qū)域?qū)⑤p微粘鋁。粘鋁區(qū)域的鋁會(huì)與鋼反應(yīng)生成FexAly脆性中間化合物[11]，在高壓鋁液的沖刷下出現(xiàn)破碎剝落，導(dǎo)致模具表面產(chǎn)生點(diǎn)坑，并且在鋁液的沖刷下產(chǎn)生更嚴(yán)重的粘鋁。

圖3 未壓鑄和壓鑄600、1 000次鋁合金的4Cr5Mo2V鋼及含Ni和含Co的4Cr5Mo2V鋼試塊的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearances of the test blocks of 4Cr5Mo2V steel and nickel- containing and cobalt- containing 4Cr5Mo2V steels not die casting and die casting aluminum alloy 600 and 1 000 times

2.1.2 表面裂紋

圖4為壓鑄1 000次后4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼試塊表面的超景深形貌。從圖4(a)可以看到，4Cr5Mo2V鋼試塊表面有少量呈近網(wǎng)狀分布的微裂紋。粘附的鋁和鋁液與鋼反應(yīng)形成FexAly化合物，F(xiàn)exAly與基體的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致粘附的鋁和FexAly化合物內(nèi)出現(xiàn)極少量的微裂紋。鋁液的沖刷作用使微裂紋擴(kuò)展，鋁液進(jìn)入裂紋與基體進(jìn)一步反應(yīng)生成FexAly化合物，在隨后的反復(fù)壓鑄過(guò)程中，試塊表層的FexAly化合物剝落形成點(diǎn)坑。經(jīng)酸洗和超聲清洗后，試塊表面出現(xiàn)近似網(wǎng)狀的鋁液沖刷特征。圖4(b,c)表明，4Cr5Mo2V+Co鋼和4Cr5Mo2V+Ni鋼試塊中沒(méi)有裂紋，說(shuō)明加入1%的鈷或鉬不僅可以減少表面粘鋁，還可減小模具的開裂傾向，改善抗鋁液損傷性能。鎳、鈷非碳化物形成元素的加入可提高模具的高溫硬度，鈷還能在回火過(guò)程中促進(jìn)鉬碳化物的彌散析出，增強(qiáng)沉淀硬化效果[12- 13]。佟倩等[14]的研究表明：壓鑄模具鋼添加奧氏體穩(wěn)定化元素可減少應(yīng)力集中。鈷和鎳都是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，所以4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼壓鑄模表面不易產(chǎn)生裂紋。

圖4 壓鑄1 000次鋁合金后4Cr5Mo2V鋼及含Ni 和含Co的4Cr5Mo2V鋼試塊表面的超景深形貌Fig.4 Hyper- focal photomicrographs of the surface of 4Cr5Mo2V, nickel- containing 4Cr5Mo2V and cobalt- containing 4Cr5Mo2V steel test blocks after die casting aluminum alloy 1 000 times

實(shí)際壓鑄過(guò)程中的鋁液對(duì)模具沖刷十分強(qiáng)烈，根據(jù)Fe- Al相圖，鋼與鋁液反應(yīng)形成的Fe- Al 金屬間化合物主要是FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等較脆的富Al相，在鋁液沖刷下會(huì)脫離基體進(jìn)入鋁液，在模具表面留下凹坑。部分鋁合金與模具凹坑結(jié)合較牢固未脫落，進(jìn)一步形成FexAly化合物，冷卻時(shí)該處粘附的鋁及FexAly化合物易產(chǎn)生微裂紋。壓鑄薄板的鋁液較少，所以凝固較快，模具與鋁液的反應(yīng)較緩慢，因此試塊表面由于Fe與Al反應(yīng)形成的點(diǎn)坑較少，鋁液沖刷產(chǎn)生的粘鋁較多。

2.2 表面硬度

表3是3種模具鋼試塊壓鑄不同次數(shù)后的表面硬度的平均值。表3數(shù)據(jù)表明，3種試塊的表面硬度都略有下降。隨著壓鑄模次的增多，相當(dāng)于對(duì)試塊進(jìn)行重復(fù)回火，所以硬度降低。壓鑄1 000次后，4Cr5Mo2V+Co鋼試塊的硬度下降幅度最小，為1.4 HRC；4Cr5Mo2V鋼試塊下降最明顯，下降了2.8 HRC；4Cr5Mo2V+Ni鋼試塊表面硬度下降了1.8 HRC。模具硬度穩(wěn)定有利于減少粘鋁，即有利于抗壓鑄熱損傷。

表3 壓鑄不同次數(shù)后試塊的表面硬度 Table 3 Surface hardness of the test blocks after die casting for different times HRC

模具鋼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間回火后，馬氏體分解，二次碳化物粗化，導(dǎo)致表面硬度下降。鈷和鎳都是非碳化物形成元素，能置換Fe原子而使鋼固溶強(qiáng)化[15- 18]，使模具有較高的高溫強(qiáng)度，經(jīng)反復(fù)急熱急冷后仍保持較高的硬度。左鵬鵬等[19]研究了淬、回火的Cr- Mo- V- Ni鋼中的元素分布，發(fā)現(xiàn)在回火過(guò)程中Ni元素會(huì)富集在碳化物周圍，從而阻礙碳化物周圍鐵素體中碳原子的繼續(xù)擴(kuò)散，提高碳化物粗化的激活能，阻礙碳化物長(zhǎng)大，進(jìn)而減小含鎳4Cr5Mo2V鋼的硬度下降幅度，提高其抗鋁液損傷性能。曾艷等[20]研究了含1%Ni和不含Ni的壓鑄模具鋼的熱穩(wěn)定性能和組織變化，發(fā)現(xiàn)在熱穩(wěn)定試驗(yàn)后期，鎳元素會(huì)減緩模具鋼硬度下降，因而使鋼具有更好的熱穩(wěn)定性。鈷是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，在4Cr5Mo2V鋼中添加鈷能促進(jìn)奧氏體化過(guò)程中碳化物溶解，提高奧氏體的含碳量，提高奧氏體的穩(wěn)定性，從而增加殘留奧氏體量和馬氏體的硬度，而且鈷還能在回火過(guò)程中促進(jìn)鉬碳化物彌散析出，增強(qiáng)沉淀硬化效果[21- 22]。鎳、鈷對(duì)基體的強(qiáng)化作用使模具鋼試塊在鋁液的反復(fù)沖刷后仍具有較高的表面硬度，從而更耐沖蝕，有利于提高試塊抗鋁液損傷性能。試塊表面硬度和粘鋁程度也表明(見(jiàn)圖3、表3)：含鈷4Cr5Mo2V鋼試塊在壓鑄1 000次后表面的點(diǎn)坑和粘鋁最少，即抗鋁液損傷性能最好。因此，加入1%Co對(duì)鋼的強(qiáng)化作用要大于加入1%Ni，兩者都有利于改善模具鋼的抗鋁液損傷性能。

3 結(jié)論

(1) 壓鑄鋁合金1 000次后，含鈷4Cr5Mo2V鋼試塊粘鋁最少，4Cr5Mo2V鋼試塊粘鋁最多，即含鈷4Cr5Mo2V鋼的抗熱損傷性能最好。

(2) 壓鑄鋁合金1 000次后，4Cr5Mo2V鋼、4Cr5Mo2V+Ni鋼和4Cr5Mo2V+Co鋼試塊的表面硬度相應(yīng)下降了2.8、1.8和1.4 HRC，即鎳或鈷的加入能明顯改善4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼的抗熱損傷性能。