4Cr5MoSiV1钢模块锻造开裂原因

张全新, 江海军, 王春奕

(重庆钢铁研究所有限公司， 重庆 400084)

某公司一批模块在进行锻造加工时发生开裂，该批模块的材料为4Cr5MoSiV1热作模具钢，主要生产加工工艺过程为：φ230 mm钢棒→下料→镦锻模块→等温球化退火→机械加工。模块锻造加热温度为1 150～1 180 ℃，保温60 min，等温球化退火热处理工艺为加热至860～890 ℃保温2 h，降至740～760 ℃等温4 h。为查找模块锻造开裂的原因，以防止产品再次出现此类问题，笔者对开裂模块进行了理化检验和分析。

1 理化检验

宏观观察开裂模块发现裂纹贯穿模块上下表面，为避免过热或加工硬化影响微观组织观察及硬度测试，采用线切割方式在模块的锻造开裂部位切取试样。在裂纹尾部切取金相和硬度试样，编号为1，2号试样；在金相试样附近切取化学分析试样，编号为3号试样，取样示意图如图1所示。

图1 取样部位示意图Fig.1 Diagram of sampling position

1.1 化学成分分析

采用SPECTRO LAB型直读光谱仪和CS-206型红外碳硫仪对3号试样进行化学成分分析，结果如表1所示。可见模块中的铜含量明显超过GB/T 1299-2014《工模具钢》的技术要求，硫含量也略偏高。

1.2 金相检验

将1号试样和2号试样进行预磨、抛光后，采用OLYMPUS GX71型光学显微镜进行观察。按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对试样中的非金属夹杂物进行评级，结果为A2.0，B0.5，C0.5，D1.0，未发现DS类大尺寸超宽夹杂物，如图2所示。对1号试样进行观察，发现裂纹内有氧化物等填充物，裂纹附近有沿晶分布的深黄色第二相，裂纹沿第二相形成和扩展，如图3所示。将1，2号试样用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀，在光学显微镜下观察同一视场，可见试样的基体显微组织均为铁素体+珠光体，1号试样沿晶分布的第二相没有脱落，且其颜色未发生变化，仍呈深黄色，如图4所示。在1号试样裂纹一侧附近基体上同时还发现有贝氏体偏析区存在，该偏析区沿裂纹分布，如图5所示。

表1 模块的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of module (mass fraction) %

图2 2号试样的非金属夹杂物形貌Fig.2 Morphology of non-metallic inclusions in sample 2

图3 1号试样浸蚀前裂纹附近的第二相形貌Fig.3 Morphology of the second phase near crack of sample 1 before etching

图4 1号试样浸蚀后裂纹附近的第二相形貌Fig.4 Morphology of the second phase near crack of sample 1 after etching

图5 1号试样裂纹附近的组织偏析形貌Fig.5 Morphology of structure segregation near crack of sample 1

1.3 硬度测试

依据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》，使用HR-150A型洛氏硬度计对1号试样的不同部位进行硬度测试，结果如表2所示。可见裂纹边缘的硬度低于基体的，而偏析区域的硬度明显高于基体的。

表2 1号试样的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of sample 1

1.4 能谱分析

图6 1号试样基体的能谱分析位置及结果Fig.6 Energy spectrum analysis position and results on the body of sample 1

图7 1号试样晶界第二相的能谱分析位置及结果Fig.7 Energy spectrum analysis position and results of the second phase at grain boundary of sample 1

为了确定模块裂纹附近沿晶分布的第二相的物质成分和类型，采用ZEISS EVO18型扫描电镜附带的能谱仪分别对1号试样的基体组织和晶界第二相进行了成分分析，结果如图6和图7所示。可见基体主要元素含量基本符合GB/T 1299—2014对4Cr5MoSiV1模具钢的化学成分要求，沿晶分布的第二相主要成分为铜，除此之外还含有一定量的氧、镍等元素。

2 分析与讨论

热作模具是在高温下通过冲击压力迫使金属成型的模具，模具在工作时需要承受很高的应力和冲击负荷，模具钢应具有较均匀的组织和性能[1]，4Cr5MoSiV1钢是较常用的模具钢，国外相近牌号为H13。原材料的质量、热加工、热处理等都是决定模具质量的重要因素，在适宜的生产工艺条件下，4Cr5MoSiV1热锻模具钢具有良好的使用性能和加工性能[2]。

从开裂模块的化学成分来看，残余铜元素的含量明显超过GB/T 1299—2014的技术要求，质量分数达到0.31%，同时钢中硫元素含量略偏高，铜是低熔点金属元素，而硫是易偏析的杂质元素；金相检验发现A类夹杂物(硫化物)含量和级别较高，达到2.0级。裂纹附近发现有沿晶分布的深黄色第二相，在浸蚀后未脱落，颜色未发生变化，结合模块基体和晶界第二相的能谱对比分析结果可知，模块基体成分基本符合GB/T 1299—2014对4Cr5MoSiV1钢的技术要求，而晶界第二相的铜元素含量很高，因此可以确定此第二相即为富铜相，由于富铜相耐蚀性较强，在浸蚀时不易受到腐蚀而呈深黄色。由于铜的熔点较低(1 083 ℃)，低于4Cr5MoSiV1钢通常的锻造加热温度(1 150～1 180 ℃)，因此在锻造加热时晶界上分布的富铜相已呈熔融状态，在锻造应力作用下此薄弱环节很容易沿着低熔点富铜相形成裂纹[3]，一般称之为“铜脆”。裂纹区域的富铜相来源一般有两种途径，一是原材料，即冶炼钢所用的原材料含铜或者废钢中带入铜；二是锻造加热炉加热过铜件而使其残留的铜向钢材表面渗透，使得钢材表面或局部区域的铜元素含量偏高，从而在锻造时导致开裂。一般来讲，钢中铜的质量分数超过0.20%时，就易产生“铜脆”现象，钢中铜含量越高，则“铜脆”现象越明显[4]。同时，钢中杂质硫元素也会促进“铜脆”现象的发生，当钢中硫的质量分数超过0.03%时，铜和硫结合成熔点更低的共晶体，“铜脆”更为加剧。随着“铜脆”而出现的粗大裂纹在机械加工中无法去除时，钢材只能报废。除此之外，由于杂质硫元素的易偏析特性，使模块的显微组织中出现了沿裂纹分布的贝氏体偏析区，这种组织形态的偏析，实际上就是化学成分的偏析[5]。对1号试样不同区域的硬度测试更证明了这一点，裂纹处由于富铜相的存在，其硬度相对基体要低，而附近的偏析区域由于形成了非平衡组织贝氏体，因此其硬度明显高于基体珠光体的。化学成分偏析必然促使显微组织的偏析，裂纹边缘形成的贝氏体即为组织偏析。组织偏析不仅破坏了基体的连续性，还增加了钢材的各向异性，使裂纹更容易沿着偏析区扩展[6]。

3 结论及建议

(1) 4Cr5MoSiV1钢模块中的残余铜元素和杂质硫元素含量偏高，使得模块中形成低熔点富铜相，产生“铜脆”现象，同时由于较高的杂质元素促使组织偏析，破坏了钢材基体的连续性，模块在高温锻造时沿着富铜相和偏析区发生了开裂。

(2) 建议在钢的冶炼方面应提高原材料的冶金质量，严格控制冶炼炉料中残余铜元素的含量，确保4Cr5MoSiV1钢的残余铜元素的质量分数控制在0.2%以下，同时对钢中的硫、磷等杂质元素，特别是有害杂质元素硫的含量进行控制，避免硫和铜形成低熔点共晶而加大“铜脆”倾向；另外，4Cr5MoSiV1钢模块在热加工或热处理时，应避免与含铜件或含铜不锈钢同炉处理，并及时对锻造加热炉或热处理炉进行清理，防止外来铜元素渗入污染钢模块而导致“铜脆”现象的发生。