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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3Cr2W8V。
2.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1000℃。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℃，油冷至500～550℃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
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钢号 4Cr5MoSiV1 C 0.32~0.45 Si 0.80~1.20 Mn 0.20~0.50 P ≤S ≤Cr 4.75~Mo 1.10~1.75 V 0.80~1.20 0.30 0.30 5.50 表1 4Cr5MoSiV1钢化学成分（质量分数，%），Ni、Cu允许残留的含量分别是≤0.25、≤0.30。
5.钢号 表2
中国 GB 4Cr5MoSiV1 ISC T20502 中国 CNS SKD61 美国 俄罗斯 ASTM H13 ГOCT 4X5MΦ1C 德国 DIN X40CrMoV5-1 英国 BS BH13 法国 NF X40CrMoV5 瑞典 SS14 韩国 KS SKD61 日本 JIS SKD61 6.4Cr5MoSiV1钢的物理性能：密度为7.8t/m3;弹性模量E
为210000MPa。表3 4Cr5MoSiV1钢的临界温度
临界点 Ac1 温度（近似值）/℃ 860 915 775 815 340 215 Ac3 Ar1 Ar3 Ms Mf 7. 锻造工艺 表4 4Cr5MoSiV1钢的热加工工艺
项 目 加热温度/℃ 开锻温度/℃ 终锻温度/℃ 冷 却 方 式 钢 锭 1140～1180 1100～1150 900～850 缓冷（砂冷或坑冷） 钢 坯 1120～1150 1050～1100 900～850 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。
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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。
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 dHB/mm HB dHB/mm HB ～2.75 ～500 ≥3.9 ≤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。因含铬量较多，具有较高的淬透性，厚度为150mm
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的件可油冷淬透。而且此钢在过冷奥氏体在400～600℃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。
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表6 4Cr5MoSiV1钢推荐的淬火规范
淬火温度/℃ 1020～1050 冷却 介质温度/℃ 20～60 硬度（HRC） 冷却到室温 56～58 介质 油或空气 10. 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9。 4Cr5MoSiV1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70℃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580～620℃，保温时间2～3小时，以提高模具的韧性。
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表7 4Cr5MoSiV1钢的疲劳极限
温度/℃ σ-1 σ-1k /ΜPa 室温 730 670 540 510 370 表8 4Cr5MoSiV1钢推荐的回火规范
回火目的 清除应力和降低硬度 回火温度加热设备 冷却 /℃ 560～580① 熔融盐浴或空气炉 空气 回火硬度（HRC） 47～49 通常用两次回火、第二次回火温度应比第一次低20℃。 表9 4Cr5MoSiV1钢推荐的表面处理规范
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工艺 氰化 氰化 氮化 温度/℃ 时间/h 560 580 530～550 2 8 12～20 介质 50%KCN＋50%NCN 天然气＋氨 氨，α=30%～60% 扩散层 深度/mm 显微硬度（HV） 0.04 0.25～0.30 0.15～0.20 690～0 860～635 760～550 11.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℃，终锻温度850℃，锻后炉冷。然后进行球化退火，850～870℃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1:1020℃淬火+三次回火
方案2:1050℃淬火+三次回火 方案3：1070℃淬火+三次回火
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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
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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℃、1050℃、1070℃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580℃、600℃、620℃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380～400℃保温1小时左右，在升温到580℃保温2小时，Cr5MoSiV1钢在500℃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620℃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℃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σb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
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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，580℃、600℃回火，钢获得高强度，钢的弥散强化效果在600℃左右达到峰值。620℃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
机械性能 试样号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 σb MPa 1655 1694 1276 1779 1786 1359 1831 1803 1399 δ % 6.07 5.00 6.90 5.90 5.60 8.50 6.00 6.00 7.00 ψ % 36.7 36.1 45.0 36.4 36.4 43.7 40.0 37.5 38.5 aK MPa·m 0.460 0.567 0.479 0.477 0.423 0.453 0.444 0.4446 0.446
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图8表示4Cr5MoSiV1钢的δ%与ψ%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℃回火虽然处于谷点，但仍具有足够的塑性性能，δ%大于5%，ψ%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 1020℃淬火+580℃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≥620℃三次回火)，强度大大降低，而韧性并不增加。
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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℃～600℃回火，能使Mo
2C、V4C3
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；620℃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。
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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，采用变形小、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。
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