多向鍛造對8418鋼組織和力學(xué)性能的影響*

姜文鑫，梁 航，楊海波，，4，馬學(xué)文，李書志，孫學(xué)文，王平飛

（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.廣東世創(chuàng)金屬科技股份有限公司，廣東佛山 528313；3.東莞材料基因高等理工研究院，廣東東莞 523808；4.流體與材料相互作用教育部重點(diǎn)實驗室，北京 100083）

0 引言

8418鋼是國際上廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化熱作模具鋼，具有優(yōu)良的淬透性、韌性及耐熱疲勞性能，因此廣泛應(yīng)用于熱鍛模、壓鑄模和擠壓模。由于國內(nèi)熱作模具鋼冶煉鍛造后組織中存在較嚴(yán)重的帶狀偏析和網(wǎng)狀碳化物，造成其等向性與進(jìn)口材料相比存在較大差距［1-2］，壽命與外國材料商如瑞典一勝百、德國葛利茲和日本大同等存在較大差距。此類鋼一般在550～600℃高溫下服役，在服役過程中，容易形成熱沖蝕、開裂、龜裂等早期失效。同時國內(nèi)材料產(chǎn)品組織性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響模具的使用。

目前主要研究在單向鐓拔和鍛比對組織和力學(xué)性能的影響，但是單向鍛造不能消除帶狀偏析［3-6］，對多向鍛造在8418模具鋼中的應(yīng)用報道較少［7-9］，但是關(guān)于多向鍛造的研究只觀測了材料的金相組織，并未對材料的力學(xué)性能進(jìn)行考究。針對退火組織差、等向性低等問題，本文將研究多向鍛造變形方式對模具鋼的組織和力學(xué)性能的影響，比較大鍛比和小鍛比的退火態(tài)組織、硬度及沖擊韌性，為8418鋼大型鋼錠提供一定參考價值。

1 試驗材料與研究方法

試驗材料來源于國內(nèi)某鋼廠廢棄坯料，從同一坯料中心處鋸切2塊尺寸為130 mm×250 mm×90 mm的方形鍛料進(jìn)行自由鍛，組織形態(tài)為退火態(tài)。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 實驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Composition analysis of experimental steels（mass fraction，%）

在鍛打的過程中，始鍛溫度為1 200℃，終鍛溫度為900℃。采用“兩輕一重”和“兩均勻”鍛打方式，在3個方向進(jìn)行鐓粗試驗，大鍛比單向鐓粗比為2，總鍛比為6；小鍛比單向鐓粗比為1.5，總鍛比為4.5。鍛造后進(jìn)行水冷，將坯料快速放入水中冷卻，冷卻1 200 s后取出，隨后進(jìn)行870℃保溫3 h普通球化退火工藝，進(jìn)行隨爐冷卻，24 h后取出方形坯料。方形坯料取出后，用數(shù)字超聲波探傷儀VUT-800A對鍛后試驗按照《GB/T6402-2008鋼鍛件超聲檢測方法》進(jìn)行超聲波檢測。

采用鋸床鋸切距表面20 mm的芯部進(jìn)行取樣并進(jìn)行金相分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金相檢驗程序及ASTM-E3標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行拋光并用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，用HXS-1000A光學(xué)顯微鏡和JEOL JXA-8100電子顯微鏡觀察組織，按照圖譜北美壓鑄模金相標(biāo)準(zhǔn)NADCA 207-2003圖譜進(jìn)行評級。非金屬夾雜的觀察按照《GB/T 10561-2005鋼的非金屬夾雜》進(jìn)行操作與評級。非金屬夾雜評級如表2所示。

沖擊試樣取自于母坯橫截面的中心位置橫向和縱向兩個方向，尺寸為7 mm×10 mm×55 mm。使用WHQ-7712型真空高壓氣淬爐在1 030℃的溫度下奧氏體化30 min并用0.45 MPa進(jìn)行真空氣淬，利用箱式電阻爐在600℃溫度下進(jìn)行兩次回火，保溫時長2 h，第3次回火為610℃×2 h，每次回火之間空冷至室溫，最終硬度在45～46 HRC。

表2 非金屬夾雜評級Table 2 Rating of non-metallic inclusions

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 多向鍛后超聲波探傷

對每批材料進(jìn)行兩個垂直截面的掃描，均未發(fā)現(xiàn)回波現(xiàn)象，圖1所示為一個截面的掃描結(jié)果。無損探傷分析由圖可知，無論是大變形量還是小變形量多向鍛造，在鍛造過程中均沒有產(chǎn)生鍛裂的現(xiàn)象。

圖1 超聲波探傷Fig.1 Ultrasonic flaw detection

2.2 多向鍛造對退火態(tài)組織的影響

帶狀偏析是由鋼在凝固時枝晶偏析引起的正?，F(xiàn)象［6］，圖2所示為小變形和大變形退火態(tài)組織圖。圖2（a）、2（c）、2（e）、2（f）中能看出黑色和灰色不同對比度的組織，分別為碳及金屬元素富化帶與貧化帶［10］，材料的帶狀偏析對材料的等向性、沖擊韌性和使用壽命有非常重要的影響［11］。采用的小變形多向鍛造，鍛比控制在4.5左右，圖2（b）、2（d）中高倍的球狀珠光體組織局部成鏈狀，存在貝氏體形態(tài)，按一定位相分布，按照北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)評級可達(dá)到AS7級。形成原因可能為在鍛后冷卻速度導(dǎo)致，形成貝氏體，在球化過程中不易形成均勻細(xì)小的球狀組織，并保留了貝氏體的形態(tài)，即奧氏體內(nèi)部存在不同位向分布的板條狀及針狀鐵素體［4］。

采用的大變形鍛造，鍛比控制在6左右，從圖2（e）、2（g）中鍛后組織所呈現(xiàn)的仍然存在帶狀偏析，帶狀偏析沿鍛造的方向延伸，延伸方向沿最后一次鐓粗時伸長的方向分布。在圖2（f）、（h）中所得到的高倍金相組織球狀珠光體細(xì)小且均勻，不存在貝氏體形態(tài)，按照北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)評級可達(dá)到AS2級。比較兩者之間的組織變化，根據(jù)圖2（c）～（d）對帶狀偏析中碳及主要合金元素波動進(jìn)行對比，A區(qū)和C區(qū)為黑色區(qū)域，B區(qū)和D區(qū)為灰色區(qū)域，其4個區(qū)域的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示。C元素波動由1.33降為1.10，Cr、Mo、V合金元素的波動比分別由1.14、1.11、2.57降低為1.02、1.04、1.27，可見多向鍛造不能消除帶狀偏析但能減輕。大變形在多向鍛造中改善帶狀偏析有一定作用［12］。在高倍組織中，關(guān)于高倍組織能看出大變形量較小變形量改善非常明顯，珠光體組織大小、分布更加均勻。

表3 主要元素波動（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Main element fluctuation（mass fraction，%）

2.3 多向鍛造對碳化物的影響

圖2 小變形和大變形退火態(tài)組織（OM）Fig.2 Small deformation and large deformation annealed structure diagram（OM）

球狀碳化物的形成就是析出、溶解和聚集長大的過程［13-14］在析出過程中，一般沿著相組織邊緣析出，容易形成鏈狀碳化物，鏈狀碳化物是碳化物分布極不均勻的表現(xiàn)［15］，8418鋼中碳化物的形態(tài)類型、大小、含量、形狀、分布和穩(wěn)定性對8418鋼最終服役時的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性、沖擊韌性及熱疲勞性能都會產(chǎn)生很大影響［15］。小變形和大變形退火態(tài)組織圖如圖3所示。從圖3（a）～（b）中可以看出，小變形量鍛造碳化物粒徑大小不均勻，形態(tài)不規(guī)則且差異較大，同時含有大塊狀未溶碳化物，并且圖3（b）中球狀碳化物沒有均勻彌散地分布在基體上，大變形較小變形的球狀碳化物平均粒徑更加細(xì)小，圖3（d）中大變形量鍛造碳化物均勻地分布在鐵素體基體上，分布較小變形量鍛后退火更加均勻，形態(tài)較小變形量的鍛后退火更加規(guī)則且形態(tài)差異明顯縮小，且碳化物的形狀比較圓潤，更趨近于粒狀，分布得更加均勻。薛松［16］認(rèn)為在經(jīng)過球化退火后，球狀碳化物由馬氏體組織和珠光體組織轉(zhuǎn)化而來，主要的碳化物類型有MC、M6C、M7C3和M23C6，MC主要為V的碳化物，M7C3和M23C6主要為Cr的碳化物，M6C主要為Mo和Cr的碳化物；周?。?7］認(rèn)為碳化物分布與帶狀偏析有關(guān)，貧化帶含較少的未溶碳化物顆粒富化帶中由于金屬碳化物較多，而且存在較多的大顆粒碳化物?？梢姸嘞蝈懺煨问接绊懱蓟锏男螒B(tài)和分布，在一定范圍內(nèi)，鍛比為6的較鍛比為4.5的碳化物形態(tài)更加規(guī)則，分布更加均勻。

圖3 小變形和大變形退火態(tài)組織（SEM）Fig.3 Small deformation and large deformation annealing state microstructure（SEM）

2.4 多向鍛造對硬度與沖擊韌性的影響

回火過程硬度變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，大變形量鍛造淬火后的硬度值比小鍛比的普遍高，在回火過程中，可見在多向鍛造過程中大鍛比對提高模具的最終淬火、回火后硬度具有一定的影響，有助于提高材料的抗磨性。圖中，橫坐標(biāo)回火次數(shù)為0表示淬火狀態(tài)下的硬度值，淬火狀態(tài)的硬度大鍛比較小鍛比的高1.5 HRC，在第1次600℃回火2 h后的硬度值相差0.8 HRC，在第2次600℃回火2 h后硬度值相差0.6 HRC，在第3次610℃回火2 h，兩者硬度值相差0.4 HRC。造成硬度之間有差距的原因可能為大鍛比的材料經(jīng)過充分的塑性變形，材料組分的均勻性變得更好，在回火過程析出均勻彌散的碳化物，材料組分均勻性可以影響材料的硬度。同時，硬度在回火時的硬度降低值相差不大，可見兩者的抗回火性能幾乎相當(dāng)。

圖4 回火過程硬度變化曲線Fig.4 Hardness change curve during tempering

圖5 不同變形量無缺口沖擊功Fig.5 Unnotched impact value of different deformation

試驗鋼經(jīng)不同鍛比后回火態(tài)無缺口室溫沖擊實驗結(jié)果如圖5所示。圖5（a）分別為大鍛比的橫向和縱向沖擊；圖5（b）分別為小鍛比的橫向和縱向沖擊值。大變形量的橫縱沖擊功分別為285.3 J和308.6 J，小變形量的橫縱沖擊功分別為218 J和250 J，大鍛比試樣在橫縱向沖擊功較小鍛比沖擊值均有較大提高，其中橫向沖擊提高31%左右，縱向沖擊可提高23%左右，大鍛比的等向性為橫向沖擊/縱向沖擊即285.3/308.6=0.93，小鍛比的等向性為218/250=0.88。從數(shù)值上看，多向鍛造可以提高等向性，但是小鍛比的沖擊值明顯太小，大鍛比的橫向沖擊值甚至超過小鍛比的縱向沖擊，在保證不開裂的前提下，故大變形量對提高材料的韌性有明顯的影響［5］。

3 結(jié)束語

本文利用金相顯微鏡、掃描電鏡和沖擊試驗機(jī)研究不同變形量在多向鍛造中對8418鋼材料的退火態(tài)組織和沖擊性能的影響，得出結(jié)論如下。

（1）多向鍛造可以明顯改善低倍帶狀偏析和球狀組織，在一定范圍內(nèi)鍛比越大，偏析改善越明顯，按照北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)評級可達(dá)到SA1-SA2。球狀珠光體也得到明顯改善，鍛比為4.5、6時，評級分別為AS7和AS2級。C、Cr、Mo和V主要元素的黑白不同區(qū)域的元素比值分別由1.33、1.14、1.11、2.57降為1.10、1.02、1.04、1.27。

（2）多向鍛造變形量對碳化物的分布和形態(tài)有影響，鍛比為6較鍛比為4.5的碳化物分布更均勻，形態(tài)更加規(guī)則且粒徑更加細(xì)小。

（3）多向鍛造對材料的等向性有明顯改善，在一定范圍內(nèi)，鍛比越大，材料的橫向、縱向沖擊韌性值越高，沖擊韌性與材料的微觀組織有關(guān)系，大鍛比橫向沖擊與縱向沖擊較小鍛比分別提高31%和23%左右。

（4）多向鍛造比對材料的最終淬火、回火的硬度有影響，大鍛比的硬度較小鍛比的硬度高0.4 HRC～1.5 HRC。但是兩者的抗回火性幾乎無差別。