武會賓，周洪寶，蔡慶伍，陜 鈺，毛紅艷

(北京科技大學高效軋制國家工程研究中心，北京100083)

調(diào)制預硬型塑料模具鋼生產(chǎn)工藝復雜，能耗高，采用非調(diào)質(zhì)工藝代替淬火+回火的調(diào)制工藝生產(chǎn)塑料模具鋼，可有效地降低生產(chǎn)成本縮短生產(chǎn)周期，因而成為一個重要的研究方向.國內(nèi)外目前對于淬透性有一定研究［1-3］，但是對于非調(diào)質(zhì)預硬型塑料模具鋼達到淬透性極限值時組織轉(zhuǎn)變特性報道較少，而這對研究如何消除鐵素體，提高淬透性有重要意義，因此本文著重對預硬型塑料模具鋼組織轉(zhuǎn)變特性及影響因素進行了探討.

1 試驗

實驗鋼采用25 kg真空感應爐冶煉，化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%):0.20 ～0.40C、0.30Si、1.50Mn、0.5Ni、0.03Ti、2.0Cr及適量的 Mo 及 B.隨后在1 200℃保溫并鍛造成截面100 mm×100 mm的長方體坯料，然后將試樣切成Φ6 mm×10 mm的圓柱形，在北京科技大學高效軋制國家工程研究中心熱膨脹儀上進行熱模擬，分別在不同溫度下保溫，使組織奧氏體化，為保證各組織轉(zhuǎn)變溫度在所需冷卻速率范圍內(nèi)且縮短試驗時間，以0.5℃/s冷卻至730℃，然后以0.01℃/s速率冷卻至200或500℃，再以0.5℃/s速率冷卻至室溫.機械拋光后用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液侵蝕，為了得到原始奧氏體組織，對不同保溫溫度下的試樣在(60±10)℃進行蒸餾水飽和苦味酸侵蝕，對組織進行金相、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察并分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 預硬型塑料模具鋼晶粒度與淬透性的關系

先對實驗用材料在920℃保溫10 min，然后以0.01℃/s冷速冷卻.另選試樣進行兩次淬火，保溫溫度分別為880和860℃，保溫時間5 min，冷速5℃/s，然后在9 2 0℃下保溫5 min，以0.01℃/s冷卻，對上述兩種工藝的試驗用鋼進行原奧氏體晶粒侵蝕，獲得組織分別如圖1、圖2所示.

圖1 920℃保溫0.01℃/s速率冷卻的原始奧氏體組織

圖2 920℃保溫0.01℃/s速率冷卻金相組織及SEM照片

通過對組織進行觀察可以看出，未淬火試樣在0.01℃/s時，只有少量的珠光體產(chǎn)生.在經(jīng)歷過兩次淬火后0.01℃/s冷速冷卻時，原奧氏體晶粒組織有了明顯的細化.組織中珠光體僅僅略有增加.一般認為晶粒度降高，淬透性也隨之降低.關于奧氏體晶粒尺寸對貝氏體鋼淬透性的影響，有分析認為，由于貝氏體可以在整個晶粒內(nèi)成核，晶粒尺寸的變化對貝氏體淬透性的影響理應比對珠光體淬透性的影響要小;隨著鋼的含碳量的增加，奧氏體晶粒度影響淬透性的作用隨之減小.且合金化過程越復雜，其作用越?。?］.但是貝氏體的形核位置和形核溫度僅僅決定貝氏體的形態(tài)，而決定淬透性高低的珠光體和鐵素體易于在晶界處形核，晶粒度的增加將為珠光體及鐵素體生成提供更大的幾率，這是晶粒細化后珠光體略有增加的原因.

為了進一步研究試驗用鋼的淬透性特征，制定如下幾組試驗方案.將保溫溫度設定為880℃分別保溫10、30 min，淬火溫度降低到840℃進行二次淬火后在880℃保溫5、30 min并冷卻，得到組織及原奧氏體晶粒如圖3、圖4所示.

圖3 880℃保溫0.01℃/s冷卻的金相組織及SEM照片

圖4 880℃保溫0.01℃/s冷卻的原奧氏體組織

可以看出在這組工藝條件下，未淬火試樣在880℃保溫10 min時，產(chǎn)生少量珠光體，并有鐵素體沿著晶界產(chǎn)生.保溫30 min試樣鐵素體和珠光體進一步減少.淬火后保溫5 min冷卻試樣，有大量的鐵素體和珠光體出現(xiàn)，鐵素體也不僅僅局限在晶界處分布，而是與珠光體組織摻雜在一起.淬火后保溫30 min試樣珠光體明顯減少，鐵素體除了在晶界處外，有一部分形成了多邊形鐵素體.這表明無論是否經(jīng)過淬火，在880℃延長保溫時間至30 min時并不能完全消除鐵素體，只能消除部分珠光體.

通過對原奧氏體晶粒觀察發(fā)現(xiàn)，未淬火試樣880℃保溫10和30 min原奧氏體晶粒幾乎沒有變化，晶粒度較小.淬火后保溫5 min試樣原奧氏體晶粒明顯細化，由于珠光體組織相對更難以看到其原奧形貌，圖中沒有明顯形成奧氏體晶粒的部分應為珠光體組織，而鐵素體組織一般都有明顯的晶界，原奧氏體組織中在晶界上沿晶界形成的細長的部分應為沿晶界生成的鐵素體.淬火后保溫30 min，晶粒尺寸略微增加，但淬透性明顯提高.840℃二次淬火880℃保溫30 min試樣與在860℃二次淬火后920℃保溫5 min試樣原始奧氏體晶粒相當，但有更多的鐵素體生成.這表明，晶粒度并不是影響淬透性的決定性因素，還有其他原因影響著試驗用材料的淬透性.

一般認為，在含硼鋼中，硼在晶界析出，增加晶界內(nèi)聚強度，推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變［5］.多數(shù)研究主要集中在晶界處的硼對鐵素體作用的研究中，硼在奧氏體晶界偏聚，抑制了γ→α轉(zhuǎn)變，硼對淬透性的有利作用是由于推遲了鐵素體的生核過程［6-9］.從這個意義上說，多次淬火后，產(chǎn)生大量新的晶界，及原奧氏體晶界的遷移.當保溫溫度較低，且時間較短時，硼元素來不及在晶界處聚集，硼無法發(fā)揮作用而導致鐵素體在晶界處形核，優(yōu)先生成鐵素體，隨著溫度的下降，鐵素體的生成將剩余的碳排到附近區(qū)域?qū)е逻@些區(qū)域碳含量進一步增多，而此時由于硼元素尚未在此偏聚而產(chǎn)生了鐵素體，較多量鐵素體產(chǎn)生時，將導致鐵素體周圍區(qū)域碳含量增加，因而硼對淬透性的影響降低，在這些區(qū)域內(nèi)相繼生成珠光體;當保溫溫度較高時，由于硼迅速擴散到新的晶界處，因此硼對淬透性的影響不顯著，而主要是由于新增加的晶界增大了形核幾率，淬透性只是略有下降.

2.2 預硬型塑料模具鋼碳化物與淬透性的關系

通過對組織觀察發(fā)現(xiàn)，試驗用鋼在880℃保溫10 min的組織，在晶界處生成鐵素體，且在光鏡下就可以看出鐵素體內(nèi)存在粗大的顆粒狀析出物.而在920℃條件下保溫的試樣，無論是否經(jīng)過淬火，卻沒有鐵素體產(chǎn)生.因此試驗用鋼中鐵素體的產(chǎn)生可能與這些顆粒狀析出物有關.這些析出物在晶界處誘發(fā)了鐵素體轉(zhuǎn)變.關于碳化物及夾雜誘發(fā)鐵素體的生成已經(jīng)有部分研究［10-11］.由于固溶在奧氏體中的微量溶質(zhì)容易偏聚于晶界處［12］，鐵素體易于在碳氮化物周圍形核，有研究將ZrC人為加入到機體中誘發(fā)鐵素體形核，以此來細化晶粒，具有一定效果［13］.也有研究認為這是粗大的Fe-B-C化合物，會加速鐵素體在奧氏體晶界上的形核［7］，這可能是由于鋼的成分不同而導致不同的結(jié)果.

為了檢測在晶界處的析出物成分，在掃描電鏡下進行能譜分析，如圖5所示.得到的元素含量見表1.

圖5 淬火后880℃保溫10 min、0.01℃/s冷卻的SEM照片

表1 淬火后880℃保溫10 min、0.01℃/s冷卻的元素含量

通過能譜元素含量可以看出，在晶界處的析出物為碳的Cr-Mn-Fe型化合物，其中部分Fe原子為Cr、Mn取代，Mn的含量接近于基體成分，為富Cr碳化物，富Cr碳化物尺寸較大，為100～400 nm.在通過對晶界處析出物進行多次能譜分析后發(fā)現(xiàn)，在析出物中除了Cr跟Mn外，個別析出物中還發(fā)現(xiàn)有Mo元素的存在，并且碳化物中出現(xiàn)了Mo元素后，Cr及Mn元素含量也隨之增加.由于未淬火試樣碳化物主要分布在鐵素體區(qū)域內(nèi)，而鐵素體主要在晶界處且含量不多，因此在透射條件下難以找到，但經(jīng)過淬火的試樣，由于鐵素體含量較多，因此透射狀態(tài)下存在大量碳化物，其含Mo碳化物其形貌及成分如圖6所示，其Cr、Mn、Mo含量也較高.也就是說，碳化物顆粒內(nèi)主要是由Cr在此析出物內(nèi)富集產(chǎn)生，從而誘發(fā)鐵素體形核并長大.

圖6 淬火后880℃保溫5 min、0.01℃/s冷卻的TEM照片、能譜及含量

圖6所示碳化物直徑大約200 nm，通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，該類析出應該是含Cr、Mo元素的碳化物析出.在二次淬火后增加保溫時間然后緩慢冷卻時，珠光體大量減少，而部分鐵素體依然長大.

鐵素體首先在晶界上形成，晶內(nèi)的形核勢壘比晶界形核勢壘高得多［14］，因此晶內(nèi)碳化物上鐵素體的形成比在晶界上慢得多，因此將晶界上形成的碳化物融入到晶內(nèi)有利于抑制晶界鐵素體的產(chǎn)生，因而提高塑料模具鋼的淬透性.由圖2可以看出，在920℃保溫時，沒有出現(xiàn)鐵素體.可知碳化物在920℃時已經(jīng)幾乎完全融入基體內(nèi)，即不會引起鐵素體的生成.

由此可以認為，當保溫溫度較低時，在晶界處形成的碳化物難以溶解，因而為鐵素體的形核創(chuàng)造了條件.在淬火后880℃保溫5 min時，鐵素體應分為兩部分，一部分是由于晶界上硼含量減少無法抑制鐵素體而產(chǎn)生，一部分是由富Cr碳化物誘發(fā)生成，這部分含量較少;當保溫時間延長為30 min時，硼完成擴散而在晶界較充分富集，抑制了鐵素體的產(chǎn)生，鐵素體急劇減少，則鐵素體主要為富Cr碳化物誘發(fā)產(chǎn)生.隨著在880℃保溫時間延長，部分碳化物溶入基體內(nèi)，降低了誘發(fā)鐵素體的幾率，但并不能完全消除，依然誘發(fā)鐵素體產(chǎn)生.硼雖然可以抑制基體上鐵素體的產(chǎn)生，對含Cr碳化物誘發(fā)的鐵素體的生成卻難以抑制.

3 結(jié)論

1)當淬透性足夠高時無論是貝氏體或者是馬氏體，晶粒度對其影響均不明顯，鋼的淬透性越高，晶粒度對淬透性的影響將越小.

2)880℃保溫5 min后實驗鋼組織晶界處的鐵素體內(nèi)存在碳的Cr-Mn-Fe型化合物，個別析出物中存在Mo元素，其Cr及Mn元素含量也隨之增加，此類碳化物容易誘發(fā)鐵素體形核并長大，而硼元素難以抑制含Cr碳化物誘發(fā)的鐵素體的生成.

3)碳化物在880℃保溫時難以完全融入到基體內(nèi)而誘發(fā)形成鐵素體.920℃保溫時鐵素體完全消失，此時碳氮化物在已經(jīng)幾乎完全溶入基體.

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