钴和镍对4Cr5Mo2V压铸模具钢抗热损伤性能的影响

2021-04-08黄泽军张恒华吴晓春

上海金属 2021年2期

张宇黄泽军张恒华吴晓春

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444; 2.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

铝合金压铸是一种复杂的高温高压工艺，影响铝合金压铸模抗热损伤(包括热疲劳、热熔损)性能的因素很多，其中热作模具钢的成分尤为重要[1]。正常情况下，压铸模因开裂和塑性变形等导致的失效是可以避免的。模具开裂通常是偶然的机械超载或热超载，产生严重的应力集中所致。压铸模早期热疲劳龟裂和焊合熔损(表面热损伤)是主要的失效形式，二者往往是相互影响的。4Cr5Mo2V钢是目前应用广泛的热作模具钢，具有良好的耐磨性和抗塑性变形性能[2- 4]。钴和镍是常用的合金元素，能有效提升钢的强度、硬度[5- 6]，对抗热损伤有一定的作用，所以研究4Cr5Mo2V钢、含1%Ni及含1%Co(质量分数，下同)的4Cr5Mo2V钢的抗铝液损伤性能对指导实际生产有较大的意义。

然而，目前研究压铸模具钢热损伤的方法多为模拟加热与冷却，模具钢试样并不直接接触铝液，没有涉及铝液的冲刷作用，如对模具钢试样直接进行感应加热等[7- 8]。本文制备了3种成分的模具钢试块，并镶嵌在压铸模中进行了ADC12铝合金的压铸试验，研究了在高温高压铝液冲刷加热与脱模剂喷涂冷却的复合条件下试块的抗铝液损伤性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

4Cr5Mo2V钢、含1%Ni的4Cr5Mo2V钢(以下简称为4Cr5Mo2V+Ni钢)和含1%Co的4Cr5Mo2V钢(以下简称为4Cr5Mo2V+Co钢)的化学成分如表1所示，试验用ADC12铸造铝合金的化学成分如表2所示。

表1 试验用压铸模具钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the investigated die- casting die steels(mass fraction) %

表2 ADC12铝合金的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of the ADC12 aluminum alloy(mass fraction) %

1.2 试验方法

将退火态的4Cr5Mo2V钢、4Cr5Mo2V+Ni钢及4Cr5Mo2V+Co钢加工成如图1所示的试块，真空气淬后两次回火，硬度约为47 HRC，精磨除去氧化皮。

图1 镶嵌于定模中的试块的尺寸图Fig.1 Dimension drawing of the test block inserted in a cover die

将试块分组编号镶嵌于定模的凹槽中，压铸铝合金的型腔设置在动模中，如图2所示。采用500 t 卧式冷室压铸机和自行设计的模具进行ADC12铝合金薄板的压铸试验，铝合金重复使用。铝液温度较高，为800 ℃，以便加速试验 (一般ADC12铝合金的压铸温度为(650±20) ℃)。由于铝液温度为800 ℃，未达到Fe- Al金属间化合物的熔点，所以生成的化合物脱落后将以杂质的形式存在于铝液中，铝液的反复使用也会导致杂质增多，增强了铝液的冲刷作用，从而加速试验。

压铸试验后，采用体式显微镜观察试块表面的粘铝现象；采用超景深显微镜进一步观察试块表面的粘铝程度和有无裂纹。

图2 镶嵌在定模上的试块(a)和动模上成形的薄板(b)Fig.2 Test blocks inserted in cover die(a) and the shaped sheet in ejector die(b)

2 试验结果与分析

2.1 试块的表面形貌

2.1.1 表面粘铝

图3为未经压铸和经过600、1 000次压铸后3种钢试块的表面形貌。由图3(b,e,h)可知，经600次压铸后，4Cr5Mo2V钢试块的粘铝最严重，4Cr5Mo2V+Co钢试块粘铝最少。图3(c,f,i)表明，1 000次压铸后3种试块表面粘铝均加剧，4Cr5Mo2V钢试块表面粘铝明显，而其他2种试块粘铝轻微，4Cr5Mo2V+Co钢试块粘铝最少且均匀，说明含钴4Cr5Mo2V钢的抗铝液损伤性能最佳，而4Cr5Mo2V钢最差。钴、镍元素的加入有利于稳定模具钢的高温硬度[9- 10]，在反复与铝液接触的过程中表面不易“软化”，所以抗铝液冲刷性能较好，粘铝轻微。在压铸试验过程中，铝液进入型腔与试块接触，试块的组织不均匀区、机加工缺陷区等局部区域将轻微粘铝。粘铝区域的铝会与钢反应生成FexAly脆性中间化合物[11]，在高压铝液的冲刷下出现破碎剥落，导致模具表面产生点坑，并且在铝液的冲刷下产生更严重的粘铝。

图3 未压铸和压铸600、1 000次铝合金的4Cr5Mo2V钢及含Ni和含Co的4Cr5Mo2V钢试块的宏观形貌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 表面裂纹

图4为压铸1 000次后4Cr5Mo2V钢、4Cr5Mo2V+Ni钢和4Cr5Mo2V+Co钢试块表面的超景深形貌。从图4(a)可以看到，4Cr5Mo2V钢试块表面有少量呈近网状分布的微裂纹。粘附的铝和铝液与钢反应形成FexAly化合物，FexAly与基体的热膨胀系数不同，导致粘附的铝和FexAly化合物内出现极少量的微裂纹。铝液的冲刷作用使微裂纹扩展，铝液进入裂纹与基体进一步反应生成FexAly化合物，在随后的反复压铸过程中，试块表层的FexAly化合物剥落形成点坑。经酸洗和超声清洗后，试块表面出现近似网状的铝液冲刷特征。图4(b,c)表明，4Cr5Mo2V+Co钢和4Cr5Mo2V+Ni钢试块中没有裂纹，说明加入1%的钴或钼不仅可以减少表面粘铝，还可减小模具的开裂倾向，改善抗铝液损伤性能。镍、钴非碳化物形成元素的加入可提高模具的高温硬度，钴还能在回火过程中促进钼碳化物的弥散析出，增强沉淀硬化效果[12- 13]。佟倩等[14]的研究表明：压铸模具钢添加奥氏体稳定化元素可减少应力集中。钴和镍都是扩大奥氏体区的元素，所以4Cr5Mo2V+Ni钢和4Cr5Mo2V+Co钢压铸模表面不易产生裂纹。

图4 压铸1 000次铝合金后4Cr5Mo2V钢及含Ni 和含Co的4Cr5Mo2V钢试块表面的超景深形貌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

实际压铸过程中的铝液对模具冲刷十分强烈，根据Fe- Al相图，钢与铝液反应形成的Fe- Al 金属间化合物主要是FeAl2、Fe2Al5、FeAl3等较脆的富Al相，在铝液冲刷下会脱离基体进入铝液，在模具表面留下凹坑。部分铝合金与模具凹坑结合较牢固未脱落，进一步形成FexAly化合物，冷却时该处粘附的铝及FexAly化合物易产生微裂纹。压铸薄板的铝液较少，所以凝固较快，模具与铝液的反应较缓慢，因此试块表面由于Fe与Al反应形成的点坑较少，铝液冲刷产生的粘铝较多。

2.2 表面硬度

表3是3种模具钢试块压铸不同次数后的表面硬度的平均值。表3数据表明，3种试块的表面硬度都略有下降。随着压铸模次的增多，相当于对试块进行重复回火，所以硬度降低。压铸1 000次后，4Cr5Mo2V+Co钢试块的硬度下降幅度最小，为1.4 HRC；4Cr5Mo2V钢试块下降最明显，下降了2.8 HRC；4Cr5Mo2V+Ni钢试块表面硬度下降了1.8 HRC。模具硬度稳定有利于减少粘铝，即有利于抗压铸热损伤。

表3 压铸不同次数后试块的表面硬度 Table 3 Surface hardness of the test blocks after die casting for different times HRC

模具钢经过长时间回火后，马氏体分解，二次碳化物粗化，导致表面硬度下降。钴和镍都是非碳化物形成元素，能置换Fe原子而使钢固溶强化[15- 18]，使模具有较高的高温强度，经反复急热急冷后仍保持较高的硬度。左鹏鹏等[19]研究了淬、回火的Cr- Mo- V- Ni钢中的元素分布，发现在回火过程中Ni元素会富集在碳化物周围，从而阻碍碳化物周围铁素体中碳原子的继续扩散，提高碳化物粗化的激活能，阻碍碳化物长大，进而减小含镍4Cr5Mo2V钢的硬度下降幅度，提高其抗铝液损伤性能。曾艳等[20]研究了含1%Ni和不含Ni的压铸模具钢的热稳定性能和组织变化，发现在热稳定试验后期，镍元素会减缓模具钢硬度下降，因而使钢具有更好的热稳定性。钴是扩大奥氏体相区的元素，在4Cr5Mo2V钢中添加钴能促进奥氏体化过程中碳化物溶解，提高奥氏体的含碳量，提高奥氏体的稳定性，从而增加残留奥氏体量和马氏体的硬度，而且钴还能在回火过程中促进钼碳化物弥散析出，增强沉淀硬化效果[21- 22]。镍、钴对基体的强化作用使模具钢试块在铝液的反复冲刷后仍具有较高的表面硬度，从而更耐冲蚀，有利于提高试块抗铝液损伤性能。试块表面硬度和粘铝程度也表明(见图3、表3)：含钴4Cr5Mo2V钢试块在压铸1 000次后表面的点坑和粘铝最少，即抗铝液损伤性能最好。因此，加入1%Co对钢的强化作用要大于加入1%Ni，两者都有利于改善模具钢的抗铝液损伤性能。