新型熱沖壓成形模具鋼4Cr7MoV熱處理工藝研究

馬 野

（撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧撫順 113001）

1 引言

2018 年我國(guó)汽車銷量為2,808 萬(wàn)輛，2019 年汽車銷量為2,577 萬(wàn)輛，汽車產(chǎn)業(yè)消費(fèi)量巨大，據(jù)科學(xué)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(jīng)是世界汽車發(fā)展的最新潮流。

汽車輕量化的發(fā)展，一般有兩種途徑，分別是研發(fā)制造汽車使用新型輕量材料和提高汽車零件的強(qiáng)度，提高汽車零件的強(qiáng)度可以加強(qiáng)安全性，并可以減輕汽車重量。為了獲得高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度汽車零件，也就是汽車零件抗拉強(qiáng)度超過1,300MPa，熱沖壓成形技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，熱沖壓成形技術(shù)，可以解決冷沖壓成形技術(shù)無法生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度超過1,300MPa 汽車零件的工藝問題。

2 熱沖壓成形技術(shù)

熱沖壓成形技術(shù)是指將汽車用鋼板或零件，經(jīng)過奧氏體化加熱，在熱成形模具內(nèi)成形，然后在帶有冷卻系統(tǒng)的熱成形模具內(nèi)迅速冷卻，使汽車用鋼板或零件的組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度的馬氏體組織，熱沖壓成形的汽車用鋼板或零件，強(qiáng)度可以達(dá)到1,500～1,800MPa。熱沖壓成形技術(shù)廣泛應(yīng)用到汽車A、B柱加強(qiáng)板、前后保險(xiǎn)杠、車頂加強(qiáng)梁和承載加強(qiáng)板等。熱沖壓成形技術(shù)在汽車制造上的應(yīng)用，例如在某乘用車型上，汽車A、B柱加強(qiáng)板等部件采用熱沖壓成形技術(shù)，比采用普通冷沖壓成形技術(shù)，8 個(gè)汽車零部件可減輕重量約11kg，起到了顯著的減重效果。

3 熱沖壓成形模具鋼

隨著熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展，對(duì)熱沖壓成形模具鋼提出新的技術(shù)要求，在熱沖壓成形生產(chǎn)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(fā)生模具表面拉毛現(xiàn)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(xué)成分設(shè)計(jì)、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(xué)成分設(shè)計(jì)、熱處理工藝及硬度、熱處理組織，并對(duì)該鋼的熱處理硬度和市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的熱沖壓成形模具鋼H13進(jìn)行對(duì)比。

4 試驗(yàn)材料和方法

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用4Cr7MoV 鋼，采用真空精煉+電渣重熔方式冶煉，化學(xué)成分如表1 所示。試驗(yàn)真空精煉+電渣重熔6.5噸電渣錠，快鍛機(jī)采用一次鐓粗，多火次拔長(zhǎng)生產(chǎn)220×760mm扁鋼。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 wt%

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用4Cr7MoV 鋼采用830℃～850℃進(jìn)行退火，退火后在鋼材橫向截面進(jìn)行取樣。

試樣的化學(xué)成分采用光譜儀進(jìn)行分析。試樣的熱處理組織采用金相顯微鏡進(jìn)行分析。試樣的熱處理硬度，使用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 化學(xué)成分

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(qiáng)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(shè)計(jì)的化學(xué)成分，可以提高熱沖壓成形模具鋼的耐磨性。

5.2 熱處理工藝

試驗(yàn)用4Cr7MoV 鋼采用淬火+回火進(jìn)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(jìn)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(yàn)用4Cr7MoV鋼淬火溫度試驗(yàn)980℃～1,100℃溫度區(qū)間，在7 個(gè)溫度下進(jìn)行油淬試驗(yàn)（每20℃為一間隔），淬火溫度與硬度的關(guān)系如圖1所示。

從圖1 中進(jìn)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(xù)提高淬火溫度硬度下降，1,100℃時(shí)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(shí)的淬火組織，晶粒細(xì)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(shí)的淬火硬度和淬火組織為最佳，選擇試驗(yàn)鋼的淬火溫度為1,060℃。

回火熱處理可以消除淬火應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定并獲得穩(wěn)定的硬度，改善鋼的塑性、韌性并穩(wěn)定鋼的外形尺寸。試驗(yàn)用4Cr7MoV 鋼選用1,060℃淬火，選取在400℃到700℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火，試驗(yàn)鋼回火溫度與硬度的關(guān)系，如圖4所示。

試驗(yàn)鋼回火溫度400℃，回火硬度為55.3HRC，隨回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼在540℃回火時(shí)硬度達(dá)到最高56.3HRC，隨回火溫度的繼續(xù)升高回火硬度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，回火溫度700℃時(shí)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(jù)金相組織觀察，560℃和580℃為馬氏體組織，其主要特點(diǎn)是有高硬度和高強(qiáng)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(chǎng)上應(yīng)用廣泛的熱沖壓成形模具鋼H13熱處理硬度對(duì)比。

從表2 及表3 中的數(shù)據(jù)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

6 結(jié)論

（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(qiáng)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(shè)計(jì)的化學(xué)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(yàn)及金相觀察分析，試驗(yàn)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(xì)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(qiáng)度。在以上淬回火溫度下進(jìn)行的試驗(yàn)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%。