馬 野
(撫順特殊鋼股份有限公司技術中心,遼寧撫順 113001)
2018 年我國汽車銷量為2,808 萬輛,2019 年汽車銷量為2,577 萬輛,汽車產業消費量巨大,據科學研究,每減輕5%的汽車重量,可降低汽車油耗4%~5%,因此汽車的輕量化,已經是世界汽車發展的最新潮流。
汽車輕量化的發展,一般有兩種途徑,分別是研發制造汽車使用新型輕量材料和提高汽車零件的強度,提高汽車零件的強度可以加強安全性,并可以減輕汽車重量。為了獲得高強度及超高強度汽車零件,也就是汽車零件抗拉強度超過1,300MPa,熱沖壓成形技術進入高速發展階段,熱沖壓成形技術,可以解決冷沖壓成形技術無法生產抗拉強度超過1,300MPa 汽車零件的工藝問題。
熱沖壓成形技術是指將汽車用鋼板或零件,經過奧氏體化加熱,在熱成形模具內成形,然后在帶有冷卻系統的熱成形模具內迅速冷卻,使汽車用鋼板或零件的組織轉變為高強度的馬氏體組織,熱沖壓成形的汽車用鋼板或零件,強度可以達到1,500~1,800MPa。熱沖壓成形技術廣泛應用到汽車A、B柱加強板、前后保險杠、車頂加強梁和承載加強板等。熱沖壓成形技術在汽車制造上的應用,例如在某乘用車型上,汽車A、B柱加強板等部件采用熱沖壓成形技術,比采用普通冷沖壓成形技術,8 個汽車零部件可減輕重量約11kg,起到了顯著的減重效果。
隨著熱沖壓成形技術的發展,對熱沖壓成形模具鋼提出新的技術要求,在熱沖壓成形生產過程中,模具表面需要承受高低溫交替變化、以及汽車鋼板或零件成形磨損,易發生模具表面拉毛現象,影響汽車鋼板或零件外觀,所以熱沖壓成形模具鋼的化學成分設計、熱處理工藝及硬度、熱處理組織是最重要的。
本文研究一種新型熱沖壓成形模具鋼4Cr7MoV,主要研究該鋼化學成分設計、熱處理工藝及硬度、熱處理組織,并對該鋼的熱處理硬度和市場上應用廣泛的熱沖壓成形模具鋼H13進行對比。
試驗用4Cr7MoV 鋼,采用真空精煉+電渣重熔方式冶煉,化學成分如表1 所示。試驗真空精煉+電渣重熔6.5噸電渣錠,快鍛機采用一次鐓粗,多火次拔長生產220×760mm扁鋼。
表1 試驗鋼的化學成分 wt%
試驗用4Cr7MoV 鋼采用830℃~850℃進行退火,退火后在鋼材橫向截面進行取樣。
試樣的化學成分采用光譜儀進行分析。試樣的熱處理組織采用金相顯微鏡進行分析。試樣的熱處理硬度,使用洛氏硬度計進行檢驗。
從表1 中可以看出,4Cr7MoV 鋼的主要合金元素是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、耐磨性和高溫強度,溶入1.3%的Mo 和0.9%的V 含量,可提高耐磨性和韌性,形成的碳化物類型主要是M23C6。該鋼設計的化學成分,可以提高熱沖壓成形模具鋼的耐磨性。
試驗用4Cr7MoV 鋼采用淬火+回火進行熱處理,淬火熱處理是將鋼加熱到一定溫度,在該溫度下進行保溫,快速冷卻的熱處理工藝,淬火后獲得馬氏體組織。試驗用4Cr7MoV鋼淬火溫度試驗980℃~1,100℃溫度區間,在7 個溫度下進行油淬試驗(每20℃為一間隔),淬火溫度與硬度的關系如圖1所示。
從圖1 中進行分析,在980℃~1,060℃溫度之間,隨著淬火溫度的升高硬度從52.3HRC 提高到61.5HRC,繼續提高淬火溫度硬度下降,1,100℃時硬度下降到58.3HRC(見圖2)。從金相組織照片中可看到,圖3為1,060℃時的淬火組織,晶粒細小,淬火組織主要為馬氏體組織與殘余奧氏體,淬火溫度1,060℃時的淬火硬度和淬火組織為最佳,選擇試驗鋼的淬火溫度為1,060℃。
回火熱處理可以消除淬火應力,使組織趨于穩定并獲得穩定的硬度,改善鋼的塑性、韌性并穩定鋼的外形尺寸。試驗用4Cr7MoV 鋼選用1,060℃淬火,選取在400℃到700℃溫度范圍內進行回火,試驗鋼回火溫度與硬度的關系,如圖4所示。
試驗鋼回火溫度400℃,回火硬度為55.3HRC,隨回火溫度的升高,試驗鋼在540℃回火時硬度達到最高56.3HRC,隨回火溫度的繼續升高回火硬度呈現緩慢下降趨勢,回火溫度700℃時硬度降低到31.2HRC。
圖5、圖6、圖7分別為560℃、580℃和620℃回火金相組織。根據金相組織觀察,560℃和580℃為馬氏體組織,其主要特點是有高硬度和高強度,回火硬度53.3~54HRC,620℃的回火組織中可見少量的粒狀珠光體,粒狀珠光體組織可以降低硬度,回火硬度為45.1HRC。熱沖壓成形模具使用硬度一般為50~55HRC,所以該鋼建議的回火溫度為560~580℃之間。
新型熱沖壓成形模具鋼4Cr7MoV 和市場上應用廣泛的熱沖壓成形模具鋼H13熱處理硬度對比。
從表2 及表3 中的數據可以看出,4Cr7MoV 鋼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 鋼1,040℃淬火后,4Cr7MoV 鋼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鋼淬火硬度
鋼種4Cr7MoV H13回火溫度560℃560℃硬度54.0HRC 48.5HRC回火溫度580℃580℃硬度53.3HRC 45.8HRC
(1)4Cr7MoV鋼的主要合金元素是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、耐磨性和高溫強度,溶入1.3%的Mo和0.9%的V含量,可提高耐磨性和韌性,形成的碳化物類型主要是M23C6。該鋼設計的化學成分,可以提高熱沖壓成形模具鋼的耐磨性。
(2)通過熱處理試驗及金相觀察分析,試驗4Cr7MoV 鋼的最佳淬火溫度為1,060℃,硬度61.5HRC,得到的淬火組織為晶粒細小馬氏體組織與殘余奧氏體,最佳回火溫度為560℃~580℃,硬度53.3~54HRC,得到的馬氏體組織可以提高硬度和強度。在以上淬回火溫度下進行的試驗鋼材4Cr7MoV鋼,可以得到在模具上的使用硬度,也就是熱沖壓成形模具的使用硬度50~55HRC。
(3)4Cr7MoV 鋼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鋼1,040℃淬火后,4Cr7MoV鋼560℃回火硬度比H13提高11.34%,580℃回火硬度比H13提高16.37%。