李　明，張　逖

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠(chǎng)， 江蘇 南京　210035)

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P20塑料模具鋼低能耗熱處理工藝的生產(chǎn)實(shí)踐①

李明，張逖

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠(chǎng)， 江蘇 南京210035)

應(yīng)用光學(xué)顯微鏡，洛氏硬度計(jì)對(duì)P20塑料模具鋼進(jìn)行了顯微組織觀(guān)察和硬度測(cè)定。研究了不同熱處理工藝下塑料模具鋼的組織及其硬度的變化規(guī)律，為大生產(chǎn)試制P20塑料模具鋼提供技術(shù)參數(shù)。

熱處理； 塑料模具鋼； 低溫回火； 預(yù)硬化

引　言

隨著中國(guó)塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)大型塑料模具鋼，尤其是P20鋼的需求量日益增加。P20塑料模具鋼的冶金生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，成材率高，在預(yù)硬化硬度范圍之內(nèi)有較好的加工性能，淬透性好，可以使大截面的鋼材獲得均勻的硬度，尤其是鏡面拋光性能明顯優(yōu)于普通碳素鋼和低合金鋼，可以廣泛應(yīng)用于制造大型塑料模具和高精度復(fù)雜型腔塑料模具[1]。傳統(tǒng)熱處理工藝是淬火/正火+回火，這樣不僅工序多，同時(shí)也帶來(lái)能源損失、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。因此，在模具鋼生產(chǎn)中采用控軋控冷+低溫回火的工藝是很好的節(jié)能途徑。在小試樣實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)P20鋼控軋控冷后直接回火的生產(chǎn)可行性進(jìn)行了分析和研究。

1　工藝試驗(yàn)對(duì)比

1.1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用南京鋼鐵聯(lián)合有限公司中板廠(chǎng)生產(chǎn)的P20鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　P20鋼的化學(xué)成分/%

1.1.2實(shí)驗(yàn)方法

相變點(diǎn)的測(cè)定采用熱膨脹儀，按照GB5056-1985測(cè)定鋼的相變點(diǎn)，加熱速度為200 ℃/h，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的Ac1及Ac3分別為740，800 ℃。

將熱軋態(tài)試樣進(jìn)行不同溫度淬火，淬火溫度為：820，860，900，940 ℃，保溫時(shí)間為40 min。對(duì)淬火后的試樣進(jìn)行不同溫度回火，回火溫度為：400，500，550，600℃。為了模擬大生產(chǎn)中鋼板熱處理工藝及鋼板性能，還做了熱軋態(tài)直接回火實(shí)驗(yàn)。將按照上述工藝處理后的試樣制成金相試樣，用硝酸酒精腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織觀(guān)察，并用洛氏硬度計(jì)測(cè)定各個(gè)試樣的洛氏硬度。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.2.1淬火溫度對(duì)組織和硬度的影響

如圖1所示為P20在不同淬火溫度下的組織，油淬組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體。隨著淬火溫度的升高，晶粒逐漸粗化。820 ℃加熱后油冷淬火，馬氏體上分布的黑色針狀物為托氏體組織，由于淬火冷速不足，馬氏體的針葉不明顯，工件的淬火溫度偏于下限，奧氏體的合金化不夠充分，淬火后馬氏體連成一片，呈灰白色。860 ℃加熱淬火，淬火馬氏體中夾有羽毛狀分布的上貝氏體，主要是因?yàn)槔鋮s速度不夠快，致使部分過(guò)冷奧氏體發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變。在900 ℃加熱淬火，由于加熱溫度適當(dāng)，奧氏體合金化充分，得到中等的針狀馬氏體組織，馬氏體有明顯針狀。

從表2可知，在淬火溫度小于900 ℃時(shí)，隨溫度升高，鋼的硬度增加，當(dāng)淬火溫度為820 ℃，硬度值可達(dá)HRC50.6，以后隨著淬火溫度的升高，硬度值的變化趨于穩(wěn)定。馬氏體是淬火狀態(tài)的P20鋼的基體組織，硬而脆，在淬火工件中有很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，必須對(duì)淬火鋼進(jìn)行回火[3]。

圖1　P20鋼在不同溫度的淬火組織

不同淬火溫度/℃820860900940硬度/HRC50.651.852.551.2

1.2.2回火溫度對(duì)淬火組織和硬度的影響

將在900 ℃油淬的試樣進(jìn)行不同溫度的回火，保溫40 min后，制成金相試樣進(jìn)行組織觀(guān)察。如圖2所示為不同溫度的回火組織?；鼗疬^(guò)程中，隨著回火溫度的升高，馬氏體板條的尺寸逐漸增加，析出了些彌散分布的小的碳化物顆粒，在550 ℃(如圖2(c)所示)有些碳化物顆粒開(kāi)始長(zhǎng)大。隨著回火溫度的升高，板條的不斷加寬是由于中碳鋼淬火所得板條馬氏體存在大量位錯(cuò)，在回火過(guò)程中發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶；回復(fù)初期，部分位錯(cuò)其中包括小角度晶界，即板條界上的位錯(cuò)將通過(guò)滑移與攀移而相消，使位錯(cuò)密度下降。部分板條界消失，相鄰板條合并成寬的板條，剩下的位錯(cuò)將重新排列，逐漸轉(zhuǎn)化為胞塊。在溫度足夠高時(shí)，合金元素已具有足夠的活動(dòng)能力，故有可能形成合金碳化物，且隨著溫度升高，已形成的碳化物會(huì)聚集長(zhǎng)大[2]。

圖2　P20鋼在900 ℃淬火及不同溫度下的回火組織

如表3所示為不同回火溫度下的硬度，可以看出，隨著溫度升高，回火硬度呈下降趨勢(shì)。到550℃時(shí)下降速度加快。回火過(guò)程中的強(qiáng)化因素是第二相沉淀強(qiáng)化，即回火過(guò)程中不斷析出彌散細(xì)小的碳化物?；鼗疬^(guò)程中，隨著回火溫度升高，彌散析出的碳化物發(fā)生聚集長(zhǎng)大，碳化物數(shù)量減少，且長(zhǎng)大會(huì)與基體失去共格，故強(qiáng)化效應(yīng)減少。溫度不斷升高的回火過(guò)程中，硬度呈下降趨勢(shì)，是由于軟化因素始終大于強(qiáng)化因素所致。但軟化因素在逐漸增強(qiáng)，強(qiáng)化因素先增強(qiáng)再減弱，550 ℃以后軟化因素占更主要的地位，故硬度較550 ℃以前下降更快[4]。

表3　P20鋼在900 ℃淬火及不同溫度回火后的硬度

1.2.3回火溫度對(duì)熱軋組織和硬度的影響

將熱軋態(tài)試樣進(jìn)行不同溫度的回火，制成金相試樣進(jìn)行組織觀(guān)察。如圖3所示為不同溫度的回火組織，由于采用軋后控制冷卻得到貝氏體組織，經(jīng)低溫回火后得到回火貝氏體。貝氏體回火后的碳化物比回火索氏體的尺寸要小，這是由于貝氏體鐵素體位錯(cuò)密度和碳含量均低，而位錯(cuò)又是碳化物優(yōu)先形核處和碳原子擴(kuò)散的通道，所示貝氏體鐵素體中碳化物不易形成和長(zhǎng)大[2]。

圖3　熱軋態(tài)P20鋼在不同溫度回火的組織

由表4可以看出，粒狀貝氏體回火溫度對(duì)硬度的影響與馬氏體回火溫度對(duì)硬度的影響類(lèi)似。粒狀貝氏體回火過(guò)程中的強(qiáng)化因素、軟化因素與馬氏體相同。由于貝氏體鐵素體中碳的過(guò)飽和度比馬氏體小，其析出溫度比馬氏體要高。且低溫回火時(shí)，M/A島的分解才剛剛開(kāi)始，鐵素體基體在400 ℃以前沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)變，對(duì)硬度影響不大。故低溫回火時(shí)，硬度變化比較平緩。在400 ℃以后，島中馬氏體分解，及鐵素體基體轉(zhuǎn)變的軟化因素占主要地位，故硬度開(kāi)始下降[2,5,7-8]。

表4　熱軋態(tài)P20鋼不同溫度回火后的硬度

2　工業(yè)試制

工業(yè)生產(chǎn)中，30 mm的鋼板上冷床后待表面溫度降為400 ℃時(shí)下線(xiàn)。熱軋態(tài)鋼材截面硬度HRC 36～38，金相組織如圖4(a)所示，為貝氏體。經(jīng)過(guò)低溫回火后鋼材截面硬度HRC33～34，金相組織見(jiàn)圖4(b)所示，為回火貝氏體組織。采用正火軋制+低溫回火工藝，鋼材截面硬度均勻，滿(mǎn)足模具鋼的使用硬度要求，沖擊性能良好[7,9-10]。

圖4　金相組織

3　結(jié)　論

(1) 在P20中添加微量的硼延長(zhǎng)了鐵素體相變?cè)杏?，抑制鐵素體生成，提高淬透性，使厚板的截面硬度更加均勻，具有很好的應(yīng)用價(jià)值[6]。

(2) P20經(jīng)過(guò)900 ℃淬火后，在不同溫度下回火過(guò)程中，隨著回火溫度升高，馬氏體板條的尺寸逐漸增加，析出了些彌散分布的小的碳化物顆粒，在550 ℃時(shí)有些碳化物顆粒開(kāi)始長(zhǎng)大。隨著溫度升高，回火硬度呈下降趨勢(shì)，到550 ℃時(shí)下降速度加快。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試制采用控軋控冷+低溫回火工藝，其組織為回火貝氏體組織，在此狀態(tài)具有良好的強(qiáng)韌性和足夠的硬度，洛氏硬度32～36之間。通過(guò)正火軋制代替離線(xiàn)正火，可以為企業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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2016-02-25

李明(1983—)，男，碩士，工程師。E-mail:liming1@njsteel.com.cn

TG142.1