4Cr5MoSiV1钢的特性及热处理工艺1摘要：4Cr5MoSiV1钢是一种空冷硬化的热作模具钢，也 是所有热作模具钢中使用最广泛的钢号之一与4Cr5MoSiV钢相比， 该钢具有较高的热强度和硬度，在中温条件下具有很好的韧性热疲 劳性和一定的耐磨性，不易产生热疲劳裂纹，且抗粘结力强，与熔融 金属相互作用小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用在较低的奥氏体 化温度条件下空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化铁皮处理变形小， 而且可以抗熔融铝的冲蚀作用使用寿命远高于第一代模具钢 5CrNiMo 和 3Cr2W8V2. 关键词:4Cr5MoSiV1钢，淬火，回火，稳定性，弥散硬化3. 引言4Cr5MoSiV1钢是新型高热强模具钢，可用作热锻模、 热挤压模和压铸模由于热作模具在工作过程中承受较大的热冲击 力，炽热金属在型腔中流动产生强摩擦，模具工作表面与热态金属长 时间接触，表面接触温度很高，有时甚至达1000p每次工作之间， 需用水或油对锻模进行冷却，模具受反复加热和冷却的热交变应力作 用而引起龟裂因此，要求钢具有高的热稳定性、高的高温强度和高 的耐热疲劳性，同时具有良好的耐磨性和一定的韧性，较高的抗氧化 能力，高的淬透性和较小的热处理变形性。
4Cr5MoSiV1钢的常规热 处理工艺为1040〜1080°C，油冷至500〜550°C后出油空冷，工艺过 程中出现坯料翘曲和开裂问题，而且最终热处理的韧性不够理想为 此对4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺进行研究4.化学成分钢号CSiMnPSCrMoV4Cr5MoSiV10.32〜0.450.80〜1.200.20〜0.50W0.30W0.304.75〜5.501.10〜1.750.80〜1.20表1 4Cr5MoSiV1钢化学成分（质量分数，%）, Ni、Cu允许残留的 含量分别是W0.25、W0.305.钢号 表2中国中国 台湾美国俄罗 斯德国英 国法国瑞典韩国日本GBISCCNSASTMrOCTDINBSNFSS14KSJIS4Cr5MoS iV1T205 02SKD61H134X5MO1CX40CrM oV5-1BH13X40CrM oV5SKD61SKD616.4Cr5MoSiV1钢的物理性能：密度为7.8t/m3；弹性模量E为210000MPa表3 4Cr5MoSiV 1钢的临界温度临界点Ac1Ac3Ar1Ar3MsMf温度（近似值）/°c8609157758153402157.锻造工.艺 表4 4Cr5MoSiV1钢的热加工工艺项目加热温度/c开锻温度/c终锻温度/c冷却方式钢锭1140〜11801100〜1150900〜850缓冷（砂冷或坑冷）钢坯1120〜11501050〜1100900〜850缓冷（砂冷或坑冷）4Cr5MoSiV1钢热塑性较高，变形抗力小，锻造开裂倾向性小， 但锻造温度范围稍窄，必须严格控制锻打温度。
8. 先热处理4Cr5MoSiV1钢的预先热处理曲线示于图1和图2, 退火前后的硬度和组织示于表5预先热处理可避免过快的加热速度引起材料内部产生过大的热应力，防止模具产生变形，还有效地促进 了奥氏体的均匀化时间,h 时司,ki图3-6-1锻压后退火制月 图3-6-2去应力退火制度表5 4Cr5MoSiV1钢退火前后的硬度和组织硬度组织未退火退火后未退火退火后d /mm HB HBd /mmHB〜2.75〜500—— N3.9<241索氏体或马氏体球化光体+少量碳化物9. 淬火淬硬性是指材料在理想条件下淬火硬化所能达到 的最高硬度淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度表面至 半马氏体层的深度，由表面至半马氏体层的深度越大，材料的淬透 性越高4Cr5MoSiV1钢与淬火有关的曲线示于图3和图4,推荐的淬火 规范示于表6因含铭量较多，具有较高的淬透性，厚度为150mm 的件可油冷淬透而且此钢在过冷奥氏体在400〜600p之间具有很 高的稳定性，可长时间保温而不转变，因而适合分级淬火淬火温度比退火温度高，4Cr5MoSiV1钢在淬火加热时，应采取措施防止氧 化脱碳和烧损「LXf(A4P~cA"---—-.Ms-_————m4ijXf 广A+B'yLJUZ郭一一一——_ " —8007006004 0Q300£001002£0 210圳10 元60 2 10：?饰in 时闵^3-6-3.等温转变曲线£.用钢成分 : 0.400^ 1.D52I, 5. 0Cp(1. 35Ma, 1.10V；奥氐体化温度 1010'CL表6 4Cr5MoSiV 1钢推荐的淬火规范'律火温度兀S3-6-4硬度、晶粒度与淬火源度的关系淬火温度/°c冷却硬度（HRC）介质介质温度/c冷却到室温1020〜1050油或空气20〜6056〜5810. 回火 4Cr5MoSiV1钢与回火有关的曲线示于图5和图6,其疲劳极限示于表7,推荐的回火规范示于表8。
推荐的表面处理规 范示于表94Cr5MoSiV1钢的淬火组织是细针马氏体+未溶碳化物+ 残留奥氏体，为了消除淬火应力和残留奥氏体，并使马氏体韧化，必 须进行2〜3次高温回火，通常，淬火后的模具温度在低于70p时应 尽快回火，这对尺寸较大形状复杂的热作模具钢尤为重要，为了避免 热作模回火时产生残留应力，在回火加热和冷却时应缓慢进行4Cr5MoSiV1钢的常规回火温度580〜620p，保温时间2〜3小时，以 提高模具的韧性60 回如物I寿大 LOO 300 400 500 600 70055□ 505 4 453图3-6-5回火硬度曲线〔1口网・已油洋、两次回水）0.20次 _ _ _ -U-I 阵 5 O 5 o .r 1 1 O0.O.O.回火温度/图3-6-6淬火和回火的变形率河JOQGO如00如000030 洽 _也I106 4 2 D 1 _.-」 L_」 1 1 1 1 1tiu・「为d dCBWg400300 G00回火加成/匚G0504030不20^10700ri600500400300200120400100图;7不同温度回奖的室温力学性能1 1020'Cii淬，两—回页3^3-6-8高温为学性能C 1020'C^淬，580^0两汝回火）表7 4Cr5MoSiV 1钢的疲劳极限温度/C室温5400/MPa730510°-1k670370表8 4Cr5MoSiV 1钢推荐的回火规范回火目的回火温度/C加热设备冷却回火硬度 (HRC)清除应力和降低硬 度560〜580①熔融盐浴或空气炉空气47〜49通常用两次回火、第二次回火温度应比第一次低20°C。
表9 4Cr5MoSiV1钢推荐的表面处理规范工艺温度/C时间/h介质扩散层深度/mm显微硬度(HV)氤化560250%KCN+50%NCN0.04690〜640氤化5808天然气+氨0.25〜0.30860〜635氮化530〜55012〜20氨，a=30%〜60%0.15〜0.20760〜55011.实验内容(1) .坯料锻造后退火，经切削加工制备成拉伸试样和冲击试样 试样分九组采用不同的淬火、回火工艺淬火加热在可控气氛箱 式电炉中进行，回火加热在可控气氛井式电炉中进行拉伸实验 在WE-10A万能材料实验机上进行，冲击实验在30型冲击实验机 上进行热处理后对试样进行性能测试，每个方案有3个试样2) .坯料锻造与退火为消除原材料可能存在的组织、性能不均匀性，实验所用坯 料反复多向锻造，始锻温度1200°C，终锻温度850°C，锻后炉冷 然后进行球化退火，850〜870C加热保温5小时炉冷，以消除锻造 应力，细化组织，降低硬度退火后将坯料按要求加工成标准拉伸 和冲击试样3) 方案1:1020C淬火+三次回火方案2:1050C淬火+三次回火方案3： 1070C淬火+三次回火图7.4Cr5MoSiV1钢热处理工艺曲线(4) .成份分析4Cr5MoSiV1钢的主要特点是含Cr量较高，具有高的淬透性， 淬火时空冷即可得到马氏体组织。
C含量属低中碳，以保证钢淬火、 回火后的强硬性，同时使钢有好的导热性和较高的冲击韧性；Mo提 高钢的淬透性和回火稳定性，减少或抑制回火脆性；Si增加钢的淬 透性和回火稳定性，提高基体强度；V细化晶粒，提高淬透性Cr、 Mo、V属强碳化物形成元素，高温回火时由于合金碳化物弥散析出产 生二次硬化，在获得高回火稳定性的同时，提高耐磨性、抗热疲劳性、 抗氧化性和冲击韧性(5) .试样淬火和回火4Cr5MoSiV1钢要获得最终使用性能，必须进行淬火、回火处理 为使碳化物更多地溶解到奥氏体中，实验选择1020°C、1050°C、1070°C 三种淬火加热温度进行钢的奥氏体化;每个试样淬火后分别在580C、 600C、620C三次高温回火，实验所得各室温性能见表10第一次回火：为了避免坯料开裂，回火时应加热均匀，先把坯料 加热到380〜400C保温1小时左右，在升温到580C保温2小时， Cr5MoSiV1钢在500C左右属回火脆性，故选择既避开了脆性由有利 获得尽量高回火硬度的回火温度第二次回火：使Cr5MoSiV1钢硬度 稳定，Cr5MoSiV1钢采用620C回火，硬度达到44HRC时，具有强度、 韧性、耐磨、抗冷、热疲劳最佳搭配的综合性能。
第三次回火：充分 消除淬火过程中产生的热应力和组织应力，选择温度是600°C进行保 温，回火硬度为41〜46HRC，具有良好的强韧性配合淬火采用油冷，适当增加残余奥氏体量以利于回火时的转变淬 火后三次高温回火，使马氏体和残余奥氏体发生分解获得回火索氏体 基体，同时碳化物充分析出，产生弥散二次硬化效果回火后油冷， 以防止高温回火脆性的产生图8是4Cr5MoSiV1钢不同淬火温度淬火，经回火后强度，b的 变化由图可见，随着淬火温度的升高，残留奥氏体量也将增加，而 较低的淬火加热温度坯料的韧性将更好，淬火开裂现象也会减少，由 于奥氏体中的碳及合金元素的溶解量增加，回火后强度升高实际淬 火温度的选定既要保证奥氏体中溶有足够的碳和和合金元素以得到 高的硬度，又要保证奥氏体晶粒大于或等于9级，以保证足够的韧性 随着回火温度的变化，580C、600C回火，钢获得高强度，钢的弥散 强化效果在600C左右达到峰值° 620C回火，钢的强度急剧下降， 这时由于碳化物的聚集长大，钢的回火抗力降低表10 4Cr5MoSiV1钢最终热处理后室温机械性能试样号机械性能0 .bMPa5%W%aKMPa・m116556.0736.70.460216945.0036.10.567312766.9045.00.479417795.9036.40.477517865.6036.40.423613598.5043.70.453718316.0040.00.444818036.0037.50.4446913997.0038.50.446图1 4CrSMo&tVl铜经淬火回火后的强度g图8表示4Cr5MoSiV1钢的6%与W%随淬火温度及不同温度回火 后的变化。
由图8可知，随着淬火温度的提高，钢在相同回火温度条 件下，塑性指标有所变化，但主要受回火温度的控制° 600°C回火虽 然处于谷点，但仍具有足够的塑性性能，6%大于5%，W%大于35%图9表示4Cr5MoSiV1钢在不同淬火温度淬火后不同温度回火的 aK值可以看出，钢的冲击韧性对最终热处理工艺不很敏感，以 1020C淬火+580C三次回火获得较高冲击韧性实验条件下，钢的韧 性指标满足热作模具性能要求，提高回火温度（如N620C三次回火）， 强度大大降低，而韧性并不增加0E1 2 iCrsMaSiV］钢经淬火回火后的rm4Cr5MoSiVl钢经淬火回火后的冲击韧性aK(6).结论①.4Cr5MoSiV1钢随淬火加热温度的提高，奥氏体中溶入碳及合 金元素量增加，高温回火后强度升高适当提高钢的淬火奥氏体化温 度，有利于进一步发挥材料合金化的优势②.4Cr5MoSiV1钢淬火后580°C〜600°C回火，能使Mo 2C、VC4 3 等合金碳化物弥散析出获得较高的回火稳定性，碳化物呈细、小、均 分布于钢基体中成为强化碳化物，基体消除了对钢基体的切割作用， 使钢保持高强度和一定的塑、韧性，成分发挥出碳化物强硬作用； 620C回火，虽然塑性升高，但钢的回火抗力降低，强度急剧下降而 韧性并不增加。
12.结束语合理的热处理工艺是提高4Cr5MoSiV1钢使用寿命的关键 4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺包括坯料锻造后锻热调质预处理、去应 力退火处理、淬火处理、回火处理、成型零部件的表面强化处理等， 在制定其热处理工艺时，米用变形小、表面质量好的热处理，有利提 高模具寿命根据零件的大小、形状和用途等合理确定加热温度、加 热速度、保温时间和冷却速度等工艺参数，4Cr5MoSiV1钢经锻热调 质预处理后，钢材显微组织和亚结构细化明显改善，提高了模具钢内 部质量采用复合强化工艺后，使模具寿命大大的提高。