3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊預硬化硬度不合原因分析及工藝改進

孫秀華，康愛軍，劉德龍，徐曉慧，黃 輝

（撫順特殊鋼股份有限公司技術中心，遼寧撫順113001）

1 引言

3Cr16NiMoS鋼是改進機械加工性能的塑料耐蝕模具鋼，用于生產耐腐蝕性能高的塑料產品的配件和表面要求低的模架或者鑲入件上，主要用于熱流道模具行業[1~2]。

為滿足市場需求，撫鋼試制了3Cr16NiMoS鋼，預硬化狀態供貨，其中軋制扁鋼和鍛制圓鋼可以預硬化硬度合格供貨，鍛制模塊預硬化硬度超出要求范圍，不能合格供貨。本文對影響鍛制模塊預硬度化硬度不合的原因進行了分析，并找出解決辦法，而且通過生產驗證，預硬化硬度合格供貨。

2 生產工藝和問題描述

撫鋼3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊生產流程：EAF爐初煉→LF爐外鋼包精煉→VD爐真空脫氣處理→模鑄鋼錠→鋼錠加熱→3500t快鍛機鐓拔鍛制模塊→模塊退火→模塊調質預硬化處理→檢驗→入庫。主要工藝參數：冶煉27t鋼錠，鋼錠為截面平均尺寸1,225mm的八角錠，二次鐓拔鍛制模塊，模塊橫截面尺寸為厚度280~370mm×寬度1,200~1,400mm，調質預硬化處理采用1,030℃×6h加熱奧氏體化，水-空交替冷卻至500℃左右油淬，500℃~540℃×25h空冷回火。

試制的3Cr16NiMoS鋼為預硬化狀態供貨，加工成模具后不再進行熱處理直接使用，為此對硬度均勻性要求嚴格，帶寬不超過5HRC，以保證模具性能的均勻性。試制的鍛制模塊分別在相當于鋼錠頭部和尾部的橫截面上按中心、對角線四分之一、角部進行硬度檢驗，硬度不均勻，頭部中心硬度高，尾部中心硬度低，硬度帶寬達7.5HRC，滿足不了5HRC要求，不能合格供貨。

3 試驗方法

試驗用鍛制模塊的尺寸為320×1,370mm，化學成分（熔煉分析）如表1所示，在相當于鋼錠頭部和尾部的模塊上切取厚度10mm試片，用50%鹽酸水溶液加熱腐蝕后進行低倍組織觀察，然后在試片上不同位置切取20×20mm試樣進行硬度檢驗、碳含量分析、熱處理試驗，硬度檢驗在洛氏硬度計上進行，碳含量分析采用紅外碳硫聯測分析儀、熱處理試驗采用箱式電阻爐。

表1 化學成分 %

4 試驗結果與分析

4.1 酸蝕低倍試驗

酸蝕低倍組織如圖1所示。由圖1可見，鍛制模塊偏析嚴重，頭部偏析呈橢圓形，且中心部位偏析比較嚴重，尾部偏析呈方框形，而中心部位基本不存在偏析。

圖1 酸蝕低倍組織

4.2 硬度檢驗

按圖1酸蝕試片上標記的位置切取試樣，進行硬度檢驗，結果如表2所示。

表2 硬度檢驗結果

由表2可見，硬度明顯不均勻，范圍為34~41.5HRC，帶寬為7.5HRC，頭部中心橢圓形偏析和尾部方框形偏析處硬度較高，頭部橢圓形偏析處硬度為37.5~41.5HRC，且中心處硬度最高為41.5HRC，尾部方框形偏析處硬度為37.5~38HRC，尾部中心沒有偏析處硬度為34HRC，其它無偏析處硬度基本相當，范圍為34~35.5HRC。

4.3 碳含量分析

鋼中含碳量是決定硬度的主要因素[3]，將檢驗硬度的試樣進行碳含量分析，結果如表3所示。

表3 碳含量分析結果

由表3且與表1對比可見，碳含量不均勻，存在偏析，頭部中心和橢圓形偏析處以及尾部方框形偏析處為正偏析，頭部中心處的碳含量最高為0.415%，比熔煉分析的高0.125%，尾部中心處負偏析為0.252%，比熔煉分析低0.038%，且頭部中心和尾部中心處差值達0.163%。

4.4 熱處理試驗

從硬度檢驗和含碳量分析后的試樣中選取不同偏析部位的試樣在試驗室進行熱處理試驗，熱處理工藝為1,030℃×0.5h加熱后油淬，再分別500℃×2h和540℃×2h空冷回火，然后檢驗硬度，并與模塊預硬化硬度進行了比較，結果如表4所示。

表4 熱處理試驗前后硬度檢驗結果

由表4可見，試樣在試驗室與模塊采用相同的熱處理工藝1,030℃淬火+500℃回火處理后，同一偏析部位的硬度基本相同，不同偏析部位的試樣在試驗室采用相同熱處理工藝1,030℃淬火+540℃回火處理后，硬度仍然不同，正偏析部位硬度高，負偏析部位硬度低，說明淬火+回火熱處理改善不了碳偏析對硬度的影響。

5 原因分析與改進措施

鑄錠中化學成分不均勻的現象稱為成分偏析，尺寸愈大，成分偏析愈嚴重[4]，試制的3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊采用的是27t鋼錠，鋼錠截面平均尺寸為1,225mm，由于鋼錠尺寸大導致了鍛制后模塊成分偏析嚴重，且通過碳含量分析得到驗證碳偏析嚴重，而且碳正偏析的部位硬度高，碳負偏析的部位硬度低，是由于鋼中含碳量是決定硬度的主要因素，含碳量高則硬度高，反之則硬度低[5]。

綜上分析，試制的3Cr16NiMoS鋼27t鋼錠鍛制的模塊預硬化硬度超出帶寬5HRC要求的原因是鋼錠大導致碳偏析嚴重而影響預硬化硬度不均勻，且通過熱處理試驗淬火+回火處理無法消除碳偏析對硬度不均勻的影響，為此從減小鋼錠尺寸方面進行了改進，采用15t鋼錠進行了試制，鋼錠截面平均尺寸為1,080mm，為保證鍛造比采用3次鐓拔鍛制，鍛制后模塊的碳偏析和預硬化硬度均勻性比27t鋼錠有很大改善，對比結果如圖2所示，27t鋼錠鍛制模塊的碳正負偏析差值為0.163%，預硬化硬度帶寬為7.5HRC，15t鋼錠的碳正負偏析差值為0.089%，預硬化硬度帶寬為4HRC，滿足了帶寬5HRC要求，保證了合格供貨。

圖2 27t和15t鋼錠鍛制的模塊碳偏析和預硬化硬度對比結果

6 結論

（1）采用27t鋼錠鍛制的模塊預硬化硬度不合的原因是碳偏析嚴重影響硬度不均勻，碳正負偏析差值為0.163%，預硬化硬度帶寬為7.5HRC，滿足不了帶寬5HRC要求，無法合格供貨。

（2）工藝改進，采用15t鋼錠鍛制的模塊碳正負偏析差值為0.0839%，預硬化硬度帶寬為4HRC，滿足了帶寬5HRC要求，合格供貨。