熱處理工藝對預(yù)硬型模具鋼組織轉(zhuǎn)變的影響

武會賓，周洪寶，蔡慶伍，陜 鈺，毛紅艷

(北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心，北京100083)

調(diào)制預(yù)硬型塑料模具鋼生產(chǎn)工藝復(fù)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(yù)硬型塑料模具鋼達(dá)到淬透性極限值時(shí)組織轉(zhuǎn)變特性報(bào)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(yù)硬型塑料模具鋼組織轉(zhuǎn)變特性及影響因素進(jìn)行了探討.

1 試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鋼采用25 kg真空感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)高效軋制國家工程研究中心熱膨脹儀上進(jìn)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(yàn)時(shí)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(jī)械拋光后用體積分?jǐn)?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(jìn)行蒸餾水飽和苦味酸侵蝕，對組織進(jìn)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(yù)硬型塑料模具鋼晶粒度與淬透性的關(guān)系

先對實(shí)驗(yàn)用材料在920℃保溫10 min，然后以0.01℃/s冷速冷卻.另選試樣進(jìn)行兩次淬火，保溫溫度分別為880和860℃，保溫時(shí)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(yàn)用鋼進(jìn)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(jìn)行觀察可以看出，未淬火試樣在0.01℃/s時(shí)，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(shí)，原奧氏體晶粒組織有了明顯的細(xì)化.組織中珠光體僅僅略有增加.一般認(rèn)為晶粒度降高，淬透性也隨之降低.關(guān)于奧氏體晶粒尺寸對貝氏體鋼淬透性的影響，有分析認(rèn)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(yīng)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(fù)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(xì)化后珠光體略有增加的原因.

為了進(jìn)一步研究試驗(yàn)用鋼的淬透性特征，制定如下幾組試驗(yàn)方案.將保溫溫度設(shè)定為880℃分別保溫10、30 min，淬火溫度降低到840℃進(jìn)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(shí)，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(jìn)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(shí)間至30 min時(shí)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(xì)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(yīng)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(xì)長的部分應(yīng)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(dāng)，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(yàn)用材料的淬透性.

一般認(rèn)為，在含硼鋼中，硼在晶界析出，增加晶界內(nèi)聚強(qiáng)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(dāng)保溫溫度較低，且時(shí)間較短時(shí)，硼元素來不及在晶界處聚集，硼無法發(fā)揮作用而導(dǎo)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(jìn)一步增多，而此時(shí)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(shí)，將導(dǎo)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(dāng)保溫溫度較高時(shí)，由于硼迅速擴(kuò)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(yù)硬型塑料模具鋼碳化物與淬透性的關(guān)系

通過對組織觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)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(yàn)用鋼中鐵素體的產(chǎn)生可能與這些顆粒狀析出物有關(guān).這些析出物在晶界處誘發(fā)了鐵素體轉(zhuǎn)變.關(guān)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(jī)體中誘發(fā)鐵素體形核，以此來細(xì)化晶粒，具有一定效果［13］.也有研究認(rèn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(yīng)該是含Cr、Mo元素的碳化物析出.在二次淬火后增加保溫時(shí)間然后緩慢冷卻時(shí)，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(shí)，沒有出現(xiàn)鐵素體.可知碳化物在920℃時(shí)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(rèn)為，當(dāng)保溫溫度較低時(shí)，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(shí)，鐵素體應(yīng)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(dāng)保溫時(shí)間延長為30 min時(shí)，硼完成擴(kuò)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(shí)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(dāng)淬透性足夠高時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)難以完全融入到基體內(nèi)而誘發(fā)形成鐵素體.920℃保溫時(shí)鐵素體完全消失，此時(shí)碳氮化物在已經(jīng)幾乎完全溶入基體.

［1］吳曉春，張杰，崔崑.非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的組織與性能［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，12(2):1-6.WU Xiao-chun，ZHANG Jie，CUI Kun.The microstructure and mechanical properties of unquenched and untempered die steel for plastic moulding［J］.Journal of Huazhong University of Science and Techinology，1995，12(2):1-6.

［2］王秉新，劉相華，王國棟.3Cr2Mo塑料模具鋼連續(xù)冷卻相變行為［J］.材料科學(xué)與工藝，2010，18(2):183-186.WANG Bin-xin，LIU Xiang-hua，WANG Guo-dong.Continuous cooling transformation behavior of 3Cr2Mo plastic die steel［J］.Materials Science and Technology，2010，18(2):183-186.

［3］羅毅，吳曉春，張洪奎.大截面非調(diào)質(zhì)預(yù)硬型塑料模具鋼的組織與性能［J］.金屬熱處理，2008，33(3):28-31.LUO Yi，WU Xiao-chun，ZHANG Hong-kui.Microstructure and properties of non-quenched and tempered prehardened steel for large section plastic mould［J］.Heat Teatment of Metals，2008，33(3):28-31.

［4］吳季恂，周光裕，荀毓閩.鋼的淬透性應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994:121-125.WU Ji-xun，ZHOU Guang-yu，XUN Yu-min.The Application Technique of Hardenability of Steel［M］.Beijing:China Machine Press，1994:121-125.

［5］ZHAO Y T，SHANG C J，YANG S W，et al.The metastable austenite transformation in Mo-Nb-Cu-B low carbon steel［J］.Materials Science and Engineering A，2006，433:169-174.

［6］顏慧成，曹慧泉，羅登，等.鈦、鈮、硼對低碳貝氏體鋼組織與性能的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2010，22(5):55-58.YAN Hui-cheng，CAO Hui-quan，LUO Deng，et al.Influence of Ti，Nb and B on microstructure and mechanical properties of low carbon bainitic steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，2010，22(5):55-58.

［7］巴納吉S K，莫羅爾J E.鋼中的硼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1985:26-35，214-233.BANERJI S K，MORRAL J E.The Boron in the Steel［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1985:26-35，214-233.

［8］許洪新，李文卿，杜斌.微量元素鈦和硼對20MnVB鋼淬透性的影響［J］.鋼鐵，1991，26(3):46-50.XU Hong-xin，LI Wen-qing，DU Bin.Influence of trace elements Ti and B on haradenability of 20MnVB steel［J］.Iron and Steel，1991，26(3):46-50.

［9］JUN H J，KANG J S，SEO D H，et al.Effects of deformation and boron on microstructure and continuous cooling transformation in low carbon HSLA steels［J］.Materials Science and Engineering A，2006，422:157-162.

［10］MIYAMOTO G，SHINYOSHI T，YAMAGUCHI J，et al.Crystallography of intragranular ferrite formed on(MnS+V(C，N))complex precipitate in austenite［J］.Scripta Materialia 2003，48:371-377.

［11］PAN T，YANG Z G，ZHANG C，et al.Kinetics and mechanisms of intragranular ferrite nucleation on nonmetallic inclusions in low carbon steels［J］.Materials Science and Engineering A2006，438-440(4):1128-1132.

［12］馮春，方鴻生，白秉哲，等.0.02%Nb空冷仿晶界型鐵素體粒狀貝氏體復(fù)相鋼的相變及強(qiáng)韌性［J］.金屬學(xué)報(bào)，2010，46(4):473-478.FENG Chun，F(xiàn)ANG Hong-sheng，BAI Bin-zhe，et al.Phase transformation and strength-toughness of AFGBA/BGdiphase steel containing 0.02%Nb［J］.Acta Metallurgica Sinica，2010，46(4):473-478.

［13］唐明華，劉志義，胡雙開，等.ZrC/奧氏體相界面形變誘導(dǎo)相變動力［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，4(1):120-124.TANG Ming-hua，LIU Zhi-yi，HU Shuang-kai，et al.Transitional dynamics of deformation induced phase transformation at ZrC/austenitic interface［J］.Journal of Central South University，2010，4(1):120-124.

［14］吳開明.低碳微合金鋼中晶內(nèi)和晶界鐵素體長大動力學(xué)［J］.金屬學(xué)報(bào)，2006，42(6):572-576.WU Kai-ming.Growth kinetics of the ferrites formed in grains and at boundaries in a low carbon microalloyed steel［J］.Acta Metallurgica Sinica，2006，42(6):572-576.