5CrNiMo钢热锻模开裂原因分析

吴立新，　陈士华，　姚中海

[武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北武汉430080]

摘　要：文章以5CrNiMo钢小型热锻模的开裂为例，具体分析了其化学成分、洛氏硬度、冶金质量、断口形态和显微组织等，特别针对调质后的显微组织对性能的影响进行了相关分析和讨论。最终认为：由于在调质过程中淬火冷却速度较慢，模具未完全淬成马氏体，心部存在一定量的中温转变组织，它导致了模具强度和热稳定性的下降，该模具在刚上模热锻时就发生开裂，这与热处理的目标组织存在差异有密切关系。

关键词：5CrNiMo钢；开裂；淬火。

　  模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，而模具钢的质量又是其中一个最基础的要素之一。5CrNiMo是低合金热作模具钢的代表性钢种之一，它具有良好的塑性和韧性，承受冲击性能好，淬透性强，具有一定的热疲劳抗力。该钢种自20世纪30年代初至今仍应用不衰，在日用五金工具制造业中被广泛用作锤锻模。

　　某厂使用5CrNiMo钢制造高Φ120mm×100mm的圆柱体模具，圆柱体中空型腔Φ6.0mm，模具加工工艺为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→上模具热锻，最后模具热锻时自中心型腔沿径向开裂。本文以该锤锻模的开裂为例，对5CrNiMo钢基材组织进行了相关分析和探讨。

1　断口观察

　　宏观上看其断面平坦，起伏不大，放射纹路起源于中心型孔一端，断口四周无明显塑性变形，只在模具底面有极少量的剪切唇残留，剪切唇宽约115mm。

　　断面油污较重，经多次超声清洗后，在扫描电镜下观看，断口主要呈穿晶解理特征[图1(a)]，局部有少量沿晶二次裂纹痕迹[图1(b)]，整个断口上未发现诸如孔洞和大夹渣团类的异常冶金缺陷。

(a)断面解理特征；                                 (b)局部沿晶二次裂纹

图1　断面形貌

2　低倍检验

将面积45mm×90mm的断口背部磨制后作酸洗低倍观察，酸洗面完好，在整个酸洗面上未见气泡、裂缝、缩孔和大夹杂团类异常缺陷(图2)。

图2　酸洗低倍照片

3　化学成分和硬度测试

　　在断件上钻取样作化学成分(质量分数，%)分析，对比5CrNiMo热作模具钢GB/T1299-2000化学成分，发现除铬含量略超上限外，其余主要元素均与国标无太大差异(表1)。

　　局部切取小块试样磨光后测得模具心部HRC：48.0、48.5、48.5，均不少于设计硬度要求值HRC48。

4　显微组织观察

　　在断裂源部位取小块试样磨制成金相抛光面，在光学金相显微镜下，可见有少量氧化物和硫化物夹杂分布，其中氧化物为B1.5级，硫化物为A1.5级(图3)。

图3　夹杂分布

　　试样经4%硝酸酒精浸蚀后，组织为回火索氏体+针状下贝氏体，且贝氏体针较长[图4(a)、(b)]。扫描电镜下局部组织二次电子像[图4(c)、(b)]，显然可见，原奥氏体晶界有少量先共析铁素体存在，有的呈羽毛状平行排列，可归类于上贝氏体。

(a)(b)；回火素氏体+针状下贝氏体；(c)(d)羽毛状上贝氏体

图4　断件的显微组织

5　分析和讨论

　　从上述观测结果可看出，模具心部硬度达到或超过了设计目标值HRC48。化学成分与国标相比除铬略超上限外，并无明显差异。从低倍酸蚀检验和金相磨面上也均未发现大夹杂团、偏析、白点或其它类异常冶金缺陷。

　　但宏观断口观察可见：整个断面平坦，自心部型腔呈放射状，四周几乎没有剪切唇，应属脆性开裂。断口微观上以穿晶解理特征占主导，断件未经使用，而是刚开始热锻时就发生开裂，它反映了材料本身的脆性。

　　5CrNiMo低合金热作模具钢一般用来制作锻压模块，其主要合金元素为铬、镍、钼、锰，由于其适当配比，使钢的过冷奥氏体稳定，获得良好的淬透性和力学性能，钼还可以有效地改善钢的热强性并可抑制回火脆性的产生。

有统计资料表明[3]，模具因各种原因而失效及其所占百分比如表2所示。

　　从表2可见，由于热处理工艺和方法不当而造成模具失效(断裂)所占的比重极大(50%以上)，特别是调质处理工艺及所达到的技术要求对延长模具寿命至关重要。

　　对5CrNiMo模具钢调质处理工艺而言，其淬火后的组织应为板条状马氏体，以得到所需的良好的强韧性配合。有的资料表明，其常规加热温度为850～860℃，有人认为适当提高加热温度至890～910℃，在保证奥氏体晶粒不过于粗大的条件下，溶入基体的合金元素量增多，相应提高了淬透性、强韧性和热稳定性，有利于锻模使用寿命的提高。在淬火冷却过程中，应尽量避免由于冷却速度不够快，在模具心部产生过多的中温转变产物而导致某些使用性能的下降。5CrNiMo钢常规淬火冷却工艺为：保温结束后出炉预冷至750～800℃，淬入30～80℃油中，待模具表面达Ms点以下稍低温度后取出空冷。有时为防止淬火开裂往往出油温度较高(如250℃)，此时心部温度较高，还未发生马氏体转变，在随后的带温直接回火过程中心部的未转变的奥氏体会转变成上贝氏体等中温转变组织，且在回火过程中沿奥氏体晶粒边界析出的碳化物颗粒会聚集长大，导致强度和热稳定性显著下降，使用中极易造成模具的早期失效(包括脆裂)。

　  本锻模的显微组织观察表明：模具基体组织中不全为回火索氏体，组织中存在明显的针状下贝氏体，原奥氏体晶界还有少量先共析铁素体，有的呈羽毛状平行排列，属上贝氏体类型，这点说明回火前组织不全为马氏体。这种贝氏体和铁素体的存在是由于淬火过程中冷却速度较慢，模具未完全淬透所形成的，它导致了模具强度和热稳定性的下降，极易造成模具的早期开裂。

6　结语

　　5CrNiMo钢小型热锻模由于在调质过程中淬火冷却速度较慢，未完全淬成马氏体，心部存在一定量的中温转变组织(贝氏体)，它导致了模具强度和热稳定性的下降，该模具在刚热锻时就发生开裂，与这种热处理的目标组织存在差异有密切关系。在锻模制造过程中严格控制热处理工艺参数，特别是调质处理的冷却速度是生产合格产品的重要一环。