多向锻造对钢组织和力学性能的影响
8418 钢是一种在国际上被广泛应用的热作模具钢，它能通过空冷实现硬化。这种钢具备优良的性能，比如淬透性良好、韧性较强以及耐热疲劳性能优异。正因如此，它被广泛应用于热锻模、压铸模和挤压模等领域。国内热作模具钢冶炼锻造后，其组织中存在较严重的带状偏析和网状碳化物。这导致它的等向性与进口材料相比有较大差距，寿命也与瑞典一胜百、德国葛利兹和日本大同等外国材料商存在较大差距。此类钢通常在 550～600℃的高温下服役，在服役期间，容易出现热冲蚀、开裂、龟裂等早期失效的情况。同时国内材料产品组织性能不稳定葛利兹钢材，严重影响模具的使用。
目前主要研究单向镦拔和锻比对组织及力学性能的影响。然而，单向锻造无法消除带状偏析。关于多向锻造在 8418 模具钢中的应用，相关报道较为稀少。并且，对于多向锻造的研究，仅仅观测了材料的金相组织，而未对材料的力学性能进行深入考究。本文针对退火组织差以及等向性低等情况，将对模具钢的组织和力学性能受多向锻造变形方式的影响进行研究，同时比较大锻比与小锻比在退火态组织、硬度以及冲击韧性方面的差异，以便为 8418 钢大型钢锭提供一定的参考价值。
试验材料与研究方法
国内某钢厂有废弃坯料，试验材料就来源于此。从同一坯料的中心处锯切出 2 块方形锻料，尺寸为 130ｍｍ ×250ｍｍ ×90ｍｍ ，用于自由锻。这些锻料的组织形态是退火态。其化学成分如表 1 所示。
锻打过程中，始锻温度是 1200℃，终锻温度是 900℃。采用“两轻一重”以及“两均匀”的锻打方式，在 3 个方向进行镦粗试验。大锻比的单向镦粗比为 2，总锻比为 6；小锻比的单向镦粗比为 1.5，总锻比为 4.5。锻造后进行水冷，先将坯料快速放入水中冷却，冷却 1200 秒后取出。接着进行 870℃保温 3 小时的普通球化退火工艺，然后随炉冷却，24 小时后取出方形坯料。方形坯料取出后，使用数字超声波探伤仪 VUT - 800A 对锻后试验按照《GB/T6402 - 2008 钢锻件超声检测方法》进行超声波检测。
采用锯床锯切距表面 20 毫米的芯部来进行取样，然后进行金相分析。按照标准金相检验程序以及 ASGM-ES 标准，对试样进行抛光处理，接着用 4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，再用 HXS-1000A 光学显微镜和 -8100 电子显微镜进行观察。
按照北美压铸模金相标准 - 2003 图谱进行织的评级。按照《GB / - 2005 钢的非金属夹杂》进行非金属夹杂的观察以及评级。非金属夹杂的评级情况如表 2 所示。
冲击试样从母坯横截面的中心位置取，有横向和纵向两个方向，其尺寸是 7ｍｍ ×10ｍｍ ×55ｍｍ。使用 WHQ-7712 型真空高压气淬炉，在 1030℃的温度下进行奥氏体化，时长为 30min，接着用 0.45MPa 进行真空气淬。然后利用箱式电阻炉，在 600℃的温度下进行两次回火，每次保温时长 2h。第 3 次回火的温度为 610℃，保温时长也为 2h。每次回火之后都空冷至室温。最终，硬度在 45～46HRC。
试验结果与讨论
2.1多向锻后超声波探伤
对每批材料进行两个垂直截面的扫描，都没有发现回波现象。一个截面的扫描结果如图 1 所示。从无损探伤分析可知，无论是大变形量还是小变形量的多向锻造，在锻造过程中都没有出现锻裂的现象。
2.2多向锻造对退火态组织的影响
带状偏析是钢在凝固时枝晶偏析所导致的正常现象。图 2 展示了小变形和大变形退火态组织图。从图 2 的(a)、(c)、(e)、(f)中可以看出，有黑色和灰色不同对比度的组织。这些组织分别是碳及金属元素的富化带与贫化带。材料的带状偏析对材料的等向性、冲击韧性和使用寿命有着极为重要的影响。采用小变形多向锻造，锻比控制在 4.5 左右。在图 2(b)和 2(d)中，高倍的球状珠光体组织局部呈链状，且存在贝氏体形态，这些形态按照一定位相分布。按照北美压铸协会标准评级，其可达到 AS7 级。形成原因可能是锻后冷却速度所致，从而形成了贝氏体。在球化过程中，不容易形成均匀细小的球状组织，并且保留了贝氏体的形态，也就是在奥氏体内部存在着不同位向分布的板条状及针状铁素体。
大变形锻造被采用，锻比控制在 6 左右。从图 2 的(e)、(g)中可以看出，锻后组织仍存在带状偏析，这种带状偏析沿锻造方向延伸，且延伸方向沿最后一次镦粗时伸长的方向分布。在图 2 的(f)、(h)中，所得到的高倍金相组织球状珠光体细小且均匀，不存在贝氏体形态，按照北美压铸协会标准评级能够达到 AS2 级。对比两者的组织变化，从图 2(c)到(d)来对带状偏析中碳及主要合金元素的波动进行比较。A 区和 C 区是黑色区域，B 区和 D 区是灰色区域，这 4 个区域的元素质量分数情况如表 3 所示。C 元素的波动从 1.33 下降到了 1.10。Cr 合金元素的波动比从 1.14 降低为 1.02，Mo 合金元素的波动比从 1.11 降低为 1.04，V 合金元素的波动比从 2.57 降低为 1.27。由此可见，多向锻造虽不能消除带状偏析，但能够减轻它。
大变形在多向锻造中对改善带状偏析有一定作用。在高倍组织方面，能看出大变形量比小变形量改善得非常明显，珠光体组织的大小以及分布更加均匀。
2.3多向锻造对碳化物的影响
球状碳化物的形成是析出、溶解和聚集长大的过程。在析出过程中，通常沿着相组织边缘析出，容易形成链状碳化物。链状碳化物是碳化物分布极不均匀的一种表现。8418 钢中碳化物的形态类型、大小、含量、形状、分布和稳定性，都会对 8418 钢最终服役时的热强性、热稳定性、冲击韧性及热疲劳性能产生很大影响。小变形和大变形退火态组织图如图3所示。从图 3(a)到图 3(b)能看出，小变形量锻造时碳化物粒径大小不均匀，形态不规则且差异大，还含有大块状未溶碳化物。图 3(b)中球状碳化物未均匀弥散分布在基体上。大变形的球状碳化物比小变形的平均粒径更细小。图 3(d)里大变形量锻造的碳化物均匀分布在铁素体基体上，比小变形量锻后退火分布更均匀。形态上大变形量的锻后退火比小变形量更规则，形态差异明显缩小，且碳化物形状较圆润，更趋近于粒状，分布也更均匀。薛松认为，球化退火之后，球状碳化物是由马氏体组织和珠光体组织转化而成的。其主要的碳化物类型有 MC、M6C、M7C3 和 M23C6。其中，MC 主要是 V 的碳化物，M7C3 和 M23C6 主要是 Cr 的碳化物，M6C 主要是 Mo 和 Cr 的碳化物。周健认为，碳化物的分布与带状偏析存在关联。贫化带中含有的未溶碳化物颗粒较少，而富化带中由于金属碳化物较多，并且存在较多的大颗粒碳化物。可见多向锻造形式对碳化物的形态和分布有影响。在一定范围内，锻比为 6 时的碳化物形态比锻比为 4.5 时更加规则，且分布更加均匀。
2.4多向锻造对硬度与冲击韧性的影响
回火过程的硬度变化曲线如图 4 呈现。从图中能够看出，大变形量锻造淬火之后的硬度值相较于小锻比的普遍要高。在回火进程中，可以发现，在多向锻造过程里，大锻比对提升模具最终淬火、回火后的硬度有着一定的作用，这有助于提升材料的抗磨性。图中，横坐标回火次数为 0 意味着处于淬火状态下的硬度值。淬火状态的硬度比小锻比的硬度高 1.5HRC。在第 1 次 600℃回火 2 小时后，硬度值相差 0.8HRC。在第 2 次 600℃回火 2 小时后，硬度值相差 0.6HRC。在第 3 次 610℃回火后。
回火 2 小时后，两者的硬度值存在 0.4HRC 的差异。大锻比的材料经过充分塑性变形，其材料组分的均匀性得以提升，在回火过程中会析出均匀弥散的碳化物，而材料组分的均匀性能够对材料的硬度产生影响。此外，回火时两者的硬度降低值相差较小，这表明两者的抗回火性能几乎相同。
试验钢经过不同锻比后，回火态无缺口室温冲击实验的结果呈现于图 5 中。图 5(a)中，展示了大锻比情况下的横向冲击和纵向冲击；图 5(b)中，则分别显示了小锻比的横向冲击值和纵向冲击值。大变形量时，横向冲击功为 285.3J葛利兹钢材，纵向冲击功为 308.6J；小变形量时，横向冲击功为 218J，纵向冲击功为 250J。大锻比试样在横纵向的冲击功比小锻比冲击值有较大提升，横向冲击提升约 31％，纵向冲击可提升约 23％。大锻比的等向性为横向冲击除以纵向冲击，即 285.3 除以 308.6 等于 0.93，小锻比的等向性为 218 除以 250 等于 0.88。从数值方面来看，多向锻造能够提升等向性。然而，小锻比的冲击值显得特别小。大锻比的横向冲击值不但不低，甚至超过了小锻比的纵向冲击值。在能够确保不开裂的条件下，所以大变形量对提升材料的韧性有着显著的影响。
结束语
本文通过金相显微镜、扫描电镜以及冲击试验机来研究在多向锻造中不同变形量对 8418 钢材料的退火态组织以及冲击性能所产生的影响，进而得出以下结论。
多向锻造能够显著改善低倍带状偏析以及球状组织。在特定的范围内，锻比越大，偏析的改善就越明显，依据北美压铸协会标准进行评级，能够达到 SA1 - SA2 级。球状珠光体也有了明显的改善，当锻比为 4.5 和 6 时，评级分别为 AS7 和 AS2 级。C 元素主要区域的黑白元素比值由 1.33 降为 1.10；Cr 元素主要区域的黑白元素比值由 1.14 降为 1.02；Mo 元素主要区域的黑白元素比值由 1.11 降为 1.04；V 元素主要区域的黑白元素比值由 2.57 降为 1.27。
多向锻造变形量会对碳化物的分布和形态产生影响。锻比为 6 时，碳化物的分布比锻比为 4.5 时更均匀。同时，锻比为 6 时，碳化物的形态更加规则，并且粒径也更加细小。
多向锻造能明显改善材料的等向性。在一定范围内，锻比越大，材料的横向冲击韧性值越高，材料的纵向冲击韧性值也越高。冲击韧性与材料的微观组织存在关系。大锻比时，横向冲击比小锻比提高约 31％，纵向冲击比小锻比提高约 23％。
多向锻造比对材料最终淬火、回火的硬度存在影响。大锻比的硬度比小锻比的硬度要高 0.4HRC 至 1.5HRC。然而，两者在抗回火性方面几乎没有差别。
