新型热冲压成形模具钢4Cr7MoV热处理工艺研究

马 野

（抚顺特殊钢股份有限公司技术中心，辽宁抚顺 113001）

1 引言

2018 年我国汽车销量为2,808 万辆，2019 年汽车销量为2,577 万辆，汽车产业消费量巨大，据科学研究，每减轻5%的汽车重量，可降低汽车油耗4%～5%，因此汽车的轻量化，已经是世界汽车发展的最新潮流。

汽车轻量化的发展，一般有两种途径，分别是研发制造汽车使用新型轻量材料和提高汽车零件的强度，提高汽车零件的强度可以加强安全性，并可以减轻汽车重量。为了获得高强度及超高强度汽车零件，也就是汽车零件抗拉强度超过1,300MPa，热冲压成形技术进入高速发展阶段，热冲压成形技术，可以解决冷冲压成形技术无法生产抗拉强度超过1,300MPa 汽车零件的工艺问题。

2 热冲压成形技术

热冲压成形技术是指将汽车用钢板或零件，经过奥氏体化加热，在热成形模具内成形，然后在带有冷却系统的热成形模具内迅速冷却，使汽车用钢板或零件的组织转变为高强度的马氏体组织，热冲压成形的汽车用钢板或零件，强度可以达到1,500～1,800MPa。热冲压成形技术广泛应用到汽车A、B柱加强板、前后保险杠、车顶加强梁和承载加强板等。热冲压成形技术在汽车制造上的应用，例如在某乘用车型上，汽车A、B柱加强板等部件采用热冲压成形技术，比采用普通冷冲压成形技术，8 个汽车零部件可减轻重量约11kg，起到了显著的减重效果。

3 热冲压成形模具钢

随着热冲压成形技术的发展，对热冲压成形模具钢提出新的技术要求，在热冲压成形生产过程中，模具表面需要承受高低温交替变化、以及汽车钢板或零件成形磨损，易发生模具表面拉毛现象，影响汽车钢板或零件外观，所以热冲压成形模具钢的化学成分设计、热处理工艺及硬度、热处理组织是最重要的。

本文研究一种新型热冲压成形模具钢4Cr7MoV，主要研究该钢化学成分设计、热处理工艺及硬度、热处理组织，并对该钢的热处理硬度和市场上应用广泛的热冲压成形模具钢H13进行对比。

4 试验材料和方法

4.1 试验材料

试验用4Cr7MoV 钢，采用真空精炼+电渣重熔方式冶炼，化学成分如表1 所示。试验真空精炼+电渣重熔6.5吨电渣锭，快锻机采用一次镦粗，多火次拔长生产220×760mm扁钢。

表1 试验钢的化学成分 wt%

4.2 试验方法

试验用4Cr7MoV 钢采用830℃～850℃进行退火，退火后在钢材横向截面进行取样。

试样的化学成分采用光谱仪进行分析。试样的热处理组织采用金相显微镜进行分析。试样的热处理硬度，使用洛氏硬度计进行检验。

5 试验结果与分析

5.1 化学成分

从表1 中可以看出，4Cr7MoV 钢的主要合金元素是Cr、Mo 和V，其中主要合金元素是6.7%的Cr，并溶入1.3%的Mo 和0.9%的V，成分中提高Cr 含量，可增加淬透性、耐磨性和高温强度，溶入1.3%的Mo 和0.9%的V 含量，可提高耐磨性和韧性，形成的碳化物类型主要是M23C6。该钢设计的化学成分，可以提高热冲压成形模具钢的耐磨性。

5.2 热处理工艺

试验用4Cr7MoV 钢采用淬火+回火进行热处理，淬火热处理是将钢加热到一定温度，在该温度下进行保温，快速冷却的热处理工艺，淬火后获得马氏体组织。试验用4Cr7MoV钢淬火温度试验980℃～1,100℃温度区间，在7 个温度下进行油淬试验（每20℃为一间隔），淬火温度与硬度的关系如图1所示。

从图1 中进行分析，在980℃～1,060℃温度之间，随着淬火温度的升高硬度从52.3HRC 提高到61.5HRC，继续提高淬火温度硬度下降，1,100℃时硬度下降到58.3HRC（见图2）。从金相组织照片中可看到，图3为1,060℃时的淬火组织，晶粒细小，淬火组织主要为马氏体组织与残余奥氏体，淬火温度1,060℃时的淬火硬度和淬火组织为最佳，选择试验钢的淬火温度为1,060℃。

回火热处理可以消除淬火应力，使组织趋于稳定并获得稳定的硬度，改善钢的塑性、韧性并稳定钢的外形尺寸。试验用4Cr7MoV 钢选用1,060℃淬火，选取在400℃到700℃温度范围内进行回火，试验钢回火温度与硬度的关系，如图4所示。

试验钢回火温度400℃，回火硬度为55.3HRC，随回火温度的升高，试验钢在540℃回火时硬度达到最高56.3HRC，随回火温度的继续升高回火硬度呈现缓慢下降趋势，回火温度700℃时硬度降低到31.2HRC。

图5、图6、图7分别为560℃、580℃和620℃回火金相组织。根据金相组织观察，560℃和580℃为马氏体组织，其主要特点是有高硬度和高强度，回火硬度53.3～54HRC，620℃的回火组织中可见少量的粒状珠光体，粒状珠光体组织可以降低硬度，回火硬度为45.1HRC。热冲压成形模具使用硬度一般为50～55HRC，所以该钢建议的回火温度为560～580℃之间。

新型热冲压成形模具钢4Cr7MoV 和市场上应用广泛的热冲压成形模具钢H13热处理硬度对比。

从表2 及表3 中的数据可以看出，4Cr7MoV 钢1,040℃淬火硬度比H13提高3.98%，1,060℃淬火硬度比H13 提高9.63%；4Cr7MoV 和H13 钢1,040℃淬火后，4Cr7MoV 钢560℃回火硬度比H13 提高11.34%，580℃回火硬度比H13提高16.37%。

表2 4Cr7MoV和H13钢淬火硬度

钢种4Cr7MoV H13回火温度560℃560℃硬度54.0HRC 48.5HRC回火温度580℃580℃硬度53.3HRC 45.8HRC

6 结论

（1）4Cr7MoV钢的主要合金元素是Cr、Mo和V，其中主要合金元素是6.7%的Cr，并溶入1.3%的Mo和0.9%的V，成分中提高Cr含量，可增加淬透性、耐磨性和高温强度，溶入1.3%的Mo和0.9%的V含量，可提高耐磨性和韧性，形成的碳化物类型主要是M23C6。该钢设计的化学成分，可以提高热冲压成形模具钢的耐磨性。

（2）通过热处理试验及金相观察分析，试验4Cr7MoV 钢的最佳淬火温度为1,060℃，硬度61.5HRC，得到的淬火组织为晶粒细小马氏体组织与残余奥氏体，最佳回火温度为560℃～580℃，硬度53.3～54HRC，得到的马氏体组织可以提高硬度和强度。在以上淬回火温度下进行的试验钢材4Cr7MoV钢，可以得到在模具上的使用硬度，也就是热冲压成形模具的使用硬度50～55HRC。

（3）4Cr7MoV 钢1,040℃淬火硬度比H13 提高3.98%，1,060℃淬火硬度比H13 提高9.63%；4Cr7MoV和H13钢1,040℃淬火后，4Cr7MoV钢560℃回火硬度比H13提高11.34%，580℃回火硬度比H13提高16.37%。