高鏡面塑料模具鋼Cr4Ni3MnCuAl熱處理工藝的研究

劉 明，劉 宇，姚騰儒，馮淑玲，祝仁龍

撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心（遼寧撫順 113001）

1 引言

塑料制品的發(fā)展促使了模具材料向著大型化、精密復(fù)雜化、低成本方向發(fā)展[1]。10Ni3MnCuAl 鋼用于制造高鏡面塑料模具，因其具有良好的拋光性能和力學(xué)性能[2]，已被市場廣泛應(yīng)用。雖然我國對10Ni3MnCuAl 鋼開展了廣泛的理論研究和生產(chǎn)試制[3～6]，但是質(zhì)量性能仍不盡理想，在熱處理和模具應(yīng)用過程中體現(xiàn)出了淬透性和耐蝕性的不足。因此，為了改善淬透性和耐蝕性，研究開發(fā)了Cr4Ni3MnCuAl鋼，它是在10Ni3MnCuAl 基礎(chǔ)上添加了4%的Cr 元素。該鋼同樣是Ni-Al-Cu 系時(shí)效硬化型塑料模具鋼，固溶和時(shí)效處理工藝對模具的組織和性能有著非常顯著的影響。本文研究的Cr4Ni3MnCuAl鋼固溶和時(shí)效處理工藝，可用于指導(dǎo)該鋼預(yù)硬化工藝的制定。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用電爐+LF+VD+電渣重熔生產(chǎn)，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.10C，0.75Si，0.96Mn，3.11Ni，0.89Cu，0.24Mo，0.013P，0.001S，0.90Al，余量Fe。試驗(yàn)在800℃～960℃范圍內(nèi)進(jìn)行固溶處理，不同溫度下保溫30min，采用空冷和油冷兩種冷卻方式。試驗(yàn)在200℃～610℃范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，在不同溫度下保溫4h，空冷至室溫。試驗(yàn)在不同固溶溫度下進(jìn)行同一時(shí)效處理，空冷至室溫。

試樣的金相和硬度尺寸為20×20mm。金相組織采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用Leica光學(xué)顯微鏡和EOX 18型掃描電鏡進(jìn)行觀察。硬度檢測采用TH300型洛氏硬度計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 固溶處理

圖1為不同固溶溫度和冷卻方式對試驗(yàn)鋼硬度的影響。圖1中給出了兩條曲線，分別是油冷和空冷兩種冷卻方式下的硬度變化曲線。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)油冷的硬度整體高于空冷，平均約1.1HRC。兩種冷卻方式的硬度變化趨勢相同，在860℃前隨著固溶溫度的增加硬度升高，在860℃～880℃時(shí)固溶硬度達(dá)到了峰值37.7～38.6HRC。固溶溫度較低時(shí)加熱得到的奧氏體不均勻，合金元素和碳化物溶入的較少，因此固溶后的馬氏體硬度偏低。從880℃開始繼續(xù)提高固溶溫度，發(fā)現(xiàn)硬度逐漸下降，在960℃時(shí)硬度降低到了35～35.5HRC。

圖2 不同固溶溫度下油冷的顯微組織

圖1 固溶溫度對10Ni3MnCuAl鋼硬度的影響

圖2為試驗(yàn)鋼在不同固溶溫度后油冷得到的顯微組織。固溶溫度為800℃時(shí)，顯微組織為板條馬氏體＋少量貝氏體組織中彌散分布著粒狀珠光體，此類組織是由于固溶溫度低于Ac3臨界點(diǎn)，未達(dá)到奧氏體化產(chǎn)生的；圖2b中珠光體組織基本消失，各類合金元素融入奧氏體中。隨著固溶溫度的升高，奧氏體固溶能力逐漸增加，組織中殘余奧氏體數(shù)量逐漸增多，馬氏體板條更加明顯，且逐漸粗化；固溶溫度為880℃較為合適，油冷后得到的是均勻、細(xì)小的低碳板條馬氏體組織，板條間有少量殘余奧氏體分布，這使得鋼具有良好的強(qiáng)度和塑韌性。但是，過多殘余奧氏體的存在，在冷卻和時(shí)效處理過程中會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生組織應(yīng)力而容易引起開裂。

進(jìn)一步采用掃描電鏡對不同固溶溫度下油冷和空冷兩種冷卻方式的顯微組織進(jìn)行了觀察，如圖3所示?？梢钥闯觯S著固溶溫度的升高，顯微組織的變化趨勢是相同的，板條馬氏體逐漸粗化。然而，油冷冷速遠(yuǎn)大于空冷，800℃固溶空冷時(shí)組織中的粒狀貝氏體相對油冷方式較多，此類粒狀貝氏體是由具有規(guī)律排列的M/A 島組織及鐵素體組成[7]（很多人已經(jīng)分析過了M/A 島的分布和組成）。880℃時(shí)兩種冷卻方式的組織均為板條馬氏體，均勻致密。960℃時(shí)出現(xiàn)了大量的殘余奧氏體，并且空冷后的數(shù)量和面積更大。對比來看，固溶油冷后得到的板條馬氏體數(shù)量要多于固溶空冷后。

圖3 不同固溶溫度和冷卻方式下的顯微組織

3.2 時(shí)效處理

固溶溫度選擇880℃保溫30min 后分別在200～610℃范圍內(nèi)進(jìn)行了時(shí)效處理，時(shí)效4h，測試時(shí)效處理后的硬度變化趨勢，如圖4所示。固溶油冷后在不同溫度下時(shí)效硬度高于固溶空冷后。兩種固溶冷卻方式下的時(shí)效硬度變化趨勢相同，均表現(xiàn)出硬度先升高再降低的變化趨勢，在500℃出現(xiàn)了峰值硬度，分別為43.4HRC 和42.2HRC。隨著時(shí)效溫度的提高，硬度迅速下降，將時(shí)效溫度提高至610℃時(shí)油冷方式的硬度達(dá)到了28.5HRC，空冷方式的硬度降到了23.7HRC。圖5為500℃～540℃范圍內(nèi)的固溶油冷時(shí)效組織，組織為板條馬氏體+粒狀貝氏體+殘余奧氏體。在此范圍內(nèi)時(shí)效后的組織均勻，晶粒尺寸于固溶后的基本一致。

圖6 為不同固溶溫度和冷卻方式下520℃時(shí)效4h的硬度變化曲線。時(shí)效4h后的硬度變化趨勢與固溶未時(shí)效的變化趨勢相同，固溶油冷方式的時(shí)效硬度仍然高于空冷方式。與固溶硬度相比，時(shí)效4h可提高硬度約6.2HRC。與10Ni3MnCuAl鋼的時(shí)效機(jī)制相同，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)化是由彌散的析出相Ni3Al 和ε-Cu 相以及位錯(cuò)的交互作用提供的[8]，從JMatPro軟件理論計(jì)算出的凝固相圖（見圖7）中同樣可看出。主要的第二相包括Ni3Al、ε-Cu 相和M23C6 等，與基體共格的第二相析出可提供非常大的強(qiáng)化增量[9]。

圖4 不同冷卻方式和時(shí)效溫度下的硬度

圖5 不同時(shí)效溫度下的顯微組織

圖6 不同固溶溫度下時(shí)效硬度

塑料模具鋼的加工形狀非常復(fù)雜，不僅要保證材料硬度、強(qiáng)度和韌性的良好配合，還要有良好的切削加工性能。因此，時(shí)效后的硬度不宜過高，520℃時(shí)效后試驗(yàn)鋼的綜合性能最佳。

4 結(jié)論

（1）固溶溫度和冷卻方式對Cr4Ni3MnCuAl 鋼硬度的影響很大，固溶硬度隨著固溶溫度升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，固溶油冷硬度高于固溶空冷硬度約1.1HRC。

（2）固溶冷卻后得到的組織以板條馬氏體為主，880℃固溶后得到的馬氏體組織均勻細(xì)小，具有良好的塑韌性。

（3）880℃固溶后在不同溫度下時(shí)效后的硬度變化，呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，固溶油冷時(shí)效的硬度高于固溶空冷時(shí)效，時(shí)效4h 可提供6.2HRC 的硬度增量。

（4）Cr4Ni3MnCuAl 鋼時(shí)效后的組織為板條馬氏體+少量粒狀珠光體+少量殘余奧氏體，880℃油冷處理后，再經(jīng)過520℃時(shí)效工藝可使Cr4Ni3MnCuAl鋼獲得良好的綜合性能。

圖7 試驗(yàn)鋼的理論凝固相圖