P20塑料模具鋼低能耗熱處理工藝的生產(chǎn)實踐①

李　明，張　逖

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠， 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)實踐①

李明，張逖

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠， 江蘇 南京210035)

應用光學顯微鏡，洛氏硬度計對P20塑料模具鋼進行了顯微組織觀察和硬度測定。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參數(shù)。

熱處理； 塑料模具鋼； 低溫回火； 預硬化

引　言

隨著中國塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，市場對大型塑料模具鋼，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)工藝簡便，成材率高，在預硬化硬度范圍之內有較好的加工性能，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，可以廣泛應用于制造大型塑料模具和高精度復雜型腔塑料模具[1]。傳統(tǒng)熱處理工藝是淬火/正火+回火，這樣不僅工序多，同時也帶來能源損失、工人勞動強度大等問題。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。在小試樣實驗的基礎上，對P20鋼控軋控冷后直接回火的生產(chǎn)可行性進行了分析和研究。

1　工藝試驗對比

1.1實驗材料及方法

1.1.1實驗材料

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

表1　P20鋼的化學成分/%

1.1.2實驗方法

相變點的測定采用熱膨脹儀，按照GB5056-1985測定鋼的相變點，加熱速度為200 ℃/h，實驗測出的Ac1及Ac3分別為740，800 ℃。

將熱軋態(tài)試樣進行不同溫度淬火，淬火溫度為：820，860，900，940 ℃，保溫時間為40 min。對淬火后的試樣進行不同溫度回火，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)直接回火實驗。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顯微鏡下進行組織觀察，并用洛氏硬度計測定各個試樣的洛氏硬度。

1.2實驗結果與討論

1.2.1淬火溫度對組織和硬度的影響

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，主要是因為冷卻速度不夠快，致使部分過冷奧氏體發(fā)生等溫轉變。在900 ℃加熱淬火，由于加熱溫度適當，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，隨溫度升高，鋼的硬度增加，當淬火溫度為820 ℃，硬度值可達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力和熱應力，必須對淬火鋼進行回火[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回火溫度對淬火組織和硬度的影響

將在900 ℃油淬的試樣進行不同溫度的回火，保溫40 min后，制成金相試樣進行組織觀察。如圖2所示為不同溫度的回火組織。回火過程中，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)有些碳化物顆粒開始長大。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，在回火過程中發(fā)生回復與再結晶；回復初期，部分位錯其中包括小角度晶界，即板條界上的位錯將通過滑移與攀移而相消，使位錯密度下降。部分板條界消失，相鄰板條合并成寬的板條，剩下的位錯將重新排列，逐漸轉化為胞塊。在溫度足夠高時，合金元素已具有足夠的活動能力，故有可能形成合金碳化物，且隨著溫度升高，已形成的碳化物會聚集長大[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。到550℃時下降速度加快。回火過程中的強化因素是第二相沉淀強化，即回火過程中不斷析出彌散細小的碳化物。回火過程中，隨著回火溫度升高，彌散析出的碳化物發(fā)生聚集長大，碳化物數(shù)量減少，且長大會與基體失去共格，故強化效應減少。溫度不斷升高的回火過程中，硬度呈下降趨勢，是由于軟化因素始終大于強化因素所致。但軟化因素在逐漸增強，強化因素先增強再減弱，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回火溫度對熱軋組織和硬度的影響

將熱軋態(tài)試樣進行不同溫度的回火，制成金相試樣進行組織觀察。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密度和碳含量均低，而位錯又是碳化物優(yōu)先形核處和碳原子擴散的通道，所示貝氏體鐵素體中碳化物不易形成和長大[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硬度的影響與馬氏體回火溫度對硬度的影響類似。粒狀貝氏體回火過程中的強化因素、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，M/A島的分解才剛剛開始，鐵素體基體在400 ℃以前沒有明顯的轉變，對硬度影響不大。故低溫回火時，硬度變化比較平緩。在400 ℃以后，島中馬氏體分解，及鐵素體基體轉變的軟化因素占主要地位，故硬度開始下降[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 ℃時下線。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)過低溫回火后鋼材截面硬度HRC33～34，金相組織見圖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　論

(1) 在P20中添加微量的硼延長了鐵素體相變孕育期，抑制鐵素體生成，提高淬透性，使厚板的截面硬度更加均勻，具有很好的應用價值[6]。

(2) P20經(jīng)過900 ℃淬火后，在不同溫度下回火過程中，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 ℃時有些碳化物顆粒開始長大。隨著溫度升高，回火硬度呈下降趨勢，到550 ℃時下降速度加快。

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

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2016-02-25

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

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