李知倫，馬黨參，遲宏宵，項金鐘

（1.云南大學物理科學技術學院，昆明650091；2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京100081）

0 引 言

決定塑料制品表面質量的關鍵因素是模具型腔內部的拋光性能，而塑料模具鋼的顯微組織對其拋光性能有決定性的影響。如果大尺寸模塊模具內部不同區(qū)域的顯微組織不同，將導致模具型腔不同區(qū)域的拋光性能不同［1-3］。良好的拋光性能不僅能夠改善模具表面的耐腐蝕性、耐磨性，還可以方便后續(xù)的注塑加工，如使塑料制品易于脫模，縮短生產(chǎn)注塑周期等［4］，提高塑料制品的處觀質量。現(xiàn)代社會對塑料制品的形狀要求越來越復雜、性能要求也越來越高，且大型模具鋼內部每一個位置都可能成為型腔表面，所以模塊內部顯微組織對模具表面性能變得非常重要［5-6］。大型預硬化718塑料模具鋼由于具有良好的淬透性，能滿足大型、復雜、高質量注塑件模具的要求，得到一些冶金廠商的青睞。

傳統(tǒng)的研究模具鋼拋光性能［7-8］的方法是測拋光面的粗糙度，但是粗糙度是拋光表面起伏程度的平均值，不能直觀地反應表面的真實形貌。如果某一拋光件存在較大凹凸不平的表面，凹坑深度可能和凸起的高度相對消，其表面粗糙度也較小，僅僅通過表面粗糙度會誤認為該拋光件也具有較好的拋光行能。所以還應該觀測拋光表面三維形貌的平整度、光滑度。為此，作者應用原子力顯微鏡對大型預硬化718塑料模具鋼內部不同區(qū)域的顯微組織和拋光的三維形貌進行了分析，對各個區(qū)域的拋光性能進行研究，并討論了模具鋼不同區(qū)域的拋光去除機制。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自國內某特鋼廠生產(chǎn)的截面尺寸為715mm×1 360mm×4 750mm（厚度×寬度×長度）的大型預硬化718塑料模具鋼，預硬化工藝為930℃淬火，510℃回火，化學成分見表1。從長度方向1/2處的心部截面取樣，如圖1所示。A為心部，分別在如圖所示正方形處切取20mm×20mm大小的金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后，用體積分數(shù)2%硝酸酒精溶液腐蝕，在LeicaMEF4M型光學顯微鏡和S-4300冷場發(fā)射型掃描電鏡上對不同區(qū)域的顯微組織進行觀察。用FM-300型顯微硬度計測不同區(qū)域的顯微硬度，載荷1.96N。在拋光機上對顯微組織不同的區(qū)域手動拋光后，用2%硝酸酒精輕腐蝕，然后用 Agilent Technologies 5100型原子力顯微鏡的輕敲模式進行拋光性能試驗，試驗的掃描區(qū)域為200μm×200μm，步長為0.4μm。應用Oxford Nordlys F＋型電子背散射（EBSD）測試儀表征不同組織的板條大小與位向，為了盡量減輕手動拋光過程中形成的表面應變，手動拋光以后電解拋光10s，然后進行試驗。用H800型透射電鏡（TEM）觀察碳化物顆粒大小及形態(tài)。制成φ5mm標準拉伸試樣在WE-300型拉伸試驗機上測室溫屈服強度。

圖1 大型預硬化718塑料模具鋼取樣示意Fig.1 Schematic of sampling from the big pre-hardened plastic die steel 718

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of the test steel（mass） %

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2，3可見，試驗鋼塊有五種不同的顯微組織。邊部（D處）組織均勻致密，碳化物分布均勻，組織類型為回火索氏體組織（TS）。C處有明顯的貝氏體鐵素體板條，碳化物分布不均勻，貝氏體沒有完全回火，該處組織為回火貝氏體（TB）。在近心部（B處）為塊狀黑色組織和回火貝氏體的混合顯微組織，黑色塊狀組織的顯微硬度為317.27HV，黑色塊狀組織處碳化物具有精細片層狀珠光體特征，如圖3（c）所示，近心部的組織為回火貝氏體和珠光體（TB＋P）的混合組織；B處還有顯微硬度為421.36HV的偏析帶，放大后觀察到明亮的碳化物分布于黑色基體上，見圖2（e）；另外對圖3（d）中的大尺寸粒狀碳化物進行EDS分析可知，該碳化物的化學成分（質量分數(shù)/%）為 4.80Mo，10.36Cr，1.18C，83.66Fe，推 測 該 種 碳 化 物 可 能 為（Mo，Cr，F(xiàn)e）23C6型碳化物。該種組織為索氏體＋粒狀碳化物（S＋GC）［9］。心部（A處）組織類型為片層狀珠光體（P），其滲碳體片層間距較大。

由圖4可見，黑色偏析帶處鉬偏析最嚴重，鉻和錳也有偏析，硅和鎳只發(fā)生輕微偏析。對于鉬、鉻等平衡分配系數(shù)遠小于1的元素，在鋼液凝固的過程中，選分結晶效應明顯。

鋼液在凝固的過程中，隨著過冷度的降低及凝固的進行，合金元素的擴散激活能及流動性降低，一次枝晶臂間距增大，當其大于二次枝晶長度的二倍時，二次枝晶臂不能到達的地方會有間隙，間隙內的鋼液凝固前，可能已經(jīng)被先生成的一次枝晶封閉［10-13］，這會造成夾雜或含高濃度溶質的鋼液保留下來，造成局部偏析。而且碳及其他合金元素的偏析富集，降低了凝固溫度，最后在樹枝晶間形成高合金微區(qū)，由于試驗鋼塊鍛造比較小，使鑄造缺陷遺傳下來，使中間部分的枝晶區(qū)發(fā)生偏析，最終形成組織偏析［14-15］。淬火時邊部首先形成馬氏體，由于試驗鋼塊淬火有自回火現(xiàn)象，所以邊部組織回火比較充分。隨著溫度的降低，自回火現(xiàn)象變弱，所以同種回火條件下中間部分的貝氏體未能完全回火，最后形成回火貝氏體組織。心部由于過冷奧氏體冷卻速率小于珠光體臨界轉變點，形成珠光體組織，未發(fā)生硬化。

圖2 大型預硬化718塑料模具鋼不同區(qū)域的OM形貌Fig.2 OM morphology of different positions in the big pre-hardened 718plastic die steel：（a）position D；（b）position C；（c-e）positions B at low，middle and high magnifications and（f）position A

圖3 大型預硬化718鋼塑料模具鋼不同區(qū)域的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of different positions in the big pre-hardened 718plastic die steel：（a）position D；（b）position C；（c-d）lamellar carbides and granular carbides in position B and（e）position A

圖4 偏析組織中各元素的EDS線掃描結果Fig.4 EDS linear scanning results of different elements in segregation microstructure

2.2 拉伸性能

拉伸試驗時，由于試驗鋼塊沒有明顯的屈服階段和局部變形階段，所以用產(chǎn)生0.2%塑性應變時的應力值作為其屈服強度，結果如表2所示，可見回火索氏體和回火貝氏體組織的屈服強度相近，珠光體的屈服強度較低。

表2 大型預硬化718塑料模具鋼不同組織的屈服強度Tab.2 Yield strength of different microstructure in the big pre-hardened 718plastic die steel MPa

2.3 拋光性能

由圖5（a）和圖6（a）可見，回火索氏體組織區(qū)域的三維形貌平整均勻，其表面粗糙度為30.9nm，拋光性能良好。這是因為邊部淬火形成板條細小的馬氏體，如圖7（a）所示，經(jīng)過回火析出的細小碳化物均勻地分布于鐵素體中，如圖8（a）所示，細小的硬顆粒碳化物在拋光過程中容易在已經(jīng)回復的鐵素體中滑動鑲嵌，均勻的顯微組織受到拋光時形成的切應力也均勻，所以表面平整，回火索氏體組織拋光性能較好。

圖5（b）和圖6（b）可見，回火貝氏體的三維形貌展現(xiàn)出較多凸起小峰，形貌較粗糙，其粗糙度為42.3nm，原因是隨著表面到心部距離的增加，試驗鋼塊淬火組織從邊部的馬氏體轉變?yōu)樨愂象w，并最終回火形成回火貝氏體，其三維形貌表現(xiàn)為碳化物不均勻地分布于貝氏體鐵素體上，而且析出的碳化物呈長棒狀，如圖8（b）所示，貝氏體鐵素體板條界清晰可見，相比邊部馬氏體回火形成的回火索氏體組織，中間部位的回火貝氏體組織板條變得粗大，見圖7（b），粗大的板條形成板條臂與板條間的各向異性，拋光時會導致應力不均。拋光時大顆粒硬質點碳化物幾乎不能發(fā)生塑性變形，其形變能依靠貝氏體鐵素體吸收，如果碳化物較大，在拋光面上易被拋去形成凹坑，而且貝氏體鐵素體在大顆粒碳化物的擠壓下，板條界受力不均，在板條界面處容易形成隆瘤，影響拋光性能。

圖5（c）和圖6（c）可見，珠光體＋回火貝氏體混合組織的三維形貌中可見凹陷，該凹陷區(qū)域組織為具有較低硬度（317.25HV）的珠光體；組織中能觀察到同一個原始奧氏體晶粒形成的不同滲碳體片層位向的珠光體晶粒和貝氏體鐵素體板條，組織不均勻，如圖7（c）所示；另外還能觀察到大顆粒碳化物，如圖8（c）中所示，對該碳化物進行衍射斑分析，發(fā)現(xiàn)該種碳化物為M23C6型碳化物。這種組織的不均勻性也會影響其拋光性能。珠光體由片層狀滲碳體和鐵素體交替組成，在拋光時鐵素體和滲碳體承受的極限應力不同，故珠光體容易被磨蝕，形成凹陷，表面拋光性能較差，所以大型預硬化718鋼塊內部混合有珠光體組織時其表面拋光性能會降低。

由圖5（d）和圖6（d）可見，未預硬化的全珠光體區(qū)的拋光性能最差，拋光表面橘皮現(xiàn)象嚴重，應避免該種組織。

由圖5（e）和圖6（e）可見，索氏體＋粒狀碳化物的三維形貌呈現(xiàn)出較多的峰形凸起，局部放大區(qū)域能清晰觀察到顆粒狀三維輪廓，在拋光時，大顆粒碳化物由于具有較高的硬度很難磨蝕，而索氏體基體和小顆粒碳化物易被拋去，形成粗糙的三維形貌，拋光性能較差。

圖5 大型預硬化718塑料模具鋼不同顯微組織的原子力顯微鏡三維形貌（50μm×50μm）Fig.5 AFM three-dimensional morphology of different microstructure in the big pre-hardened 718plastic die steel（50μm×50μm）：（a）tempered sorbite；（b）tempered bainite；（c）tempered bainite＋pearlite；（d）pearlite and（e）sorbite＋granular carbide

圖6 大型預硬化718塑料模具鋼不同顯微組織的原子力顯微鏡三維形貌局部放大圖（10μm×10μm）Fig.6 AFM three-dimensional magnified morphology of different microstructure in the big pre-hardened 718plastic die steel（10μm×10μm）：（a）tempered sorbite；（b）tempered bainite；（c）tempered bainite＋pearlite；（d）pearlite and（e）sorbite＋granular carbide

圖7 大型預硬化718塑料模具鋼不同組織的電子背散射衍射形貌Fig.7 EBSD morphology of different microstructure in the big pre-hardened 718plastic die steel：（a）tempered sorbite；（b）tempered bainite and（c）tempered bainite＋pearlite

圖8 大型預硬化718塑料模具鋼不同組織的TEM形貌Fig.8 TEM morphology of different microsturture in the big pre-hardened 718plastic die steel（a）tempered sorbite；（b）tempered bainite and（c）tempered bainite＋pearlite

2.4 拋光去除機制

塑料模具鋼進行表面拋光時，砂紙磨制階段形成的犁溝與拋光布互相嚙合而被磨平，拋光過程可用Bowden等［16］提出的粘著摩擦理論來解釋：當兩表面相接觸時，在壓應力作用下，凸起的接觸點上壓力很大，并且產(chǎn)生塑性變形，這些變形點將牢固的粘著在拋光表面上，使粘著表面形成一體，即稱為粘著或冷焊（焊接橋），當拋光表面相互滑動時，粘著點被剪斷，重復的滑動作用致使凸起點不斷被剪斷而形成拋光表面。根據(jù)簡單粘著摩擦理論，對于理想的彈塑性材料，粘著摩擦力Fα就是剪斷金屬粘結點所需的剪切力。設粘結點部分的抗剪強度為τb，則粘著摩擦力為［4，17］：

Fa＝Ar·τb［FH］ （1）

式中：Ar為實際接觸面積。

對于大多數(shù)金屬材料來說，抗剪強度τ0與屈服強度σs滿足以下關系［4，17］：

拋光過程中，當剪切應力達到抗剪強度時，表面的凸起被剝落。所以極限剪切力F0為：

由表2可知，試驗鋼回火索氏體、回火貝氏體，珠光體的屈服強度分別為885.33，868，492MPa。同一試樣使用相同的砂紙，假定具有相同深度的犁溝，在拋光機上拋光時具有相同的實際接觸面積，而材料的極限剪切力與材料的屈服強度成正比關系，因此，材料的屈服強度越大，去除材料所需的剪切力就越大，就越難去除；相反，如果屈服強度越小，去除材料所需的剪切力就越小?；鼗鹭愂象w屈服強度比珠光體的大，故拋去珠光體所需的剪切力比拋去回火貝氏體所需的剪切力小43%，這就能解釋為什么珠光體組織拋光時形成了凹坑。由以上分析可知，由于不同顯微組織材料具有不同的屈服強度，所以含有不同顯微組織材料具有較差的拋光性能。

影響拋光性能的因素較復雜［7-8，18-20］，顯微組織的粗糙程度、強度和硬度、碳化物大小以及碳化物分布均勻程度是影響拋光性能的重要因素。在大模塊塑料模具鋼中，回火索氏體由于組織細小，碳化物分布均勻等特性而具有最好的拋光性能，而回火貝氏體由于粗大的貝氏體鐵素體板條［21］和析出的碳化物顆粒較大致使拋光表面較粗糙，拋光性能降低。大模塊塑料模具鋼內部微觀偏析形成的異常組織，以及大模塊塑料模具鋼淬火時冷卻速率降低形成的珠光體組織也會惡化其拋光性。在對大模塊塑料模具鋼進行模具型腔加工的過程中，內部每一個位置都有可能成為型腔表面，所以內部不同顯微組織的拋光性能必將影響塑料制品的質量。保證模具用鋼內部顯微組織均勻對改善其拋光性能具有重要作用。

3 結 論

（1）大型預硬化718塑料模具鋼邊部組織為回火索氏體，組織均勻致密；心部為珠光體組織；邊部和心部的中間部位存在帶狀偏析，組織為回火貝氏體，近心部含有塊狀珠光體組織，在偏析處形成高顯微硬度的索氏體＋粒狀碳化物組織。

（2）回火索氏體組織細小，回火碳化物分布均勻，具有良好的拋光性能；回火貝氏體組織由于具有粗大的貝氏體鐵素體板條，大顆粒的碳化物以及不均勻分布的碳化物，拋光性能降低；珠光體以及偏析處形成的異常組織具有較差的拋光性能，會形成橘皮形貌。

（3）根據(jù)粘著摩擦理論結合屈服強度解釋了混合組織的拋光去除機制，具有不同組織的材料，組織間的屈服強度相差越大，其表面拋光性能越差。

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