顯微組織對預硬型718塑料模具鋼表面拋光性能的影響

張 樂，許 鎮(zhèn)，李 志，陳 旋，吳曉春

(上海大學材料科學與工程學院，省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

0 引 言

塑料模具的表面質(zhì)量很大程度上取決于其表面拋光后的性能，優(yōu)異的拋光性能可顯著提高模具的表面質(zhì)量，延長模具的使用壽命。大模塊塑料模具鋼由于具有尺寸效應，不同部位的組織存在差異，影響著模具鋼整體的拋光性能和拋光后的表面質(zhì)量[1]，因此研究模具鋼顯微組織對表面拋光性能的影響尤為重要。

目前國內(nèi)塑料模具鋼的拋光方式有手動拋光和機械拋光兩種，關于塑料模具鋼顯微組織對拋光性能影響的研究已取得一定的成果。KLOCKE等[2]提出了手動拋光存在不穩(wěn)定等問題，并指出鋼中夾雜物含量越低，拋光后的表面質(zhì)量越好；李知倫等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大型預硬化718塑料模具鋼組織均勻分布時，可獲得較好的拋光表面；吳代烜[4]指出模具低的表面粗糙度既能減小注塑過程模具型腔表面的局部腐蝕損傷，又能提高產(chǎn)品的質(zhì)量；王勇圍等[5]認為合金元素的微觀偏析使得3Cr2MnNiMo鋼基體局部的顯微硬度增大，對拋光性能產(chǎn)生較大影響；LUO等[6]研究發(fā)現(xiàn)，塑料模具鋼的顯微組織會影響其表面粗糙度極限。

為研究傳統(tǒng)大截面預硬型718塑料模具鋼顯微組織對其拋光性能的影響，作者在大截面預硬型718塑料模具鋼不同位置截取試樣并進行回火熱處理，對熱處理后的試樣進行手動和機械拋光后測試表面粗糙度，并探索了滿足使用要求的表面粗糙度極限，為大截面預硬型718塑料模具鋼表面拋光性能的研究提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為國內(nèi)某特鋼廠生產(chǎn)的2塊大型鍛制預硬型718塑料模具鋼(A和B)。根據(jù)前期試驗，沿模具鋼A橫截面心部、距離橫截面心部1/4處、邊部以及模具鋼B橫截面心部分別截取尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的4組試樣，4組試樣的顯微組織分別為均勻的粒狀貝氏體(標記為GB試樣)、下貝氏體(標記為LB試樣)、回火馬氏體(標記為M試樣)以及不均勻的粒狀貝氏體(標記為NGB試樣)，不同試樣的化學成分見表1，硬度均為(37±0.5) HRC。對4組試樣進行相同工藝熱處理。熱處理工藝均為880 ℃×35 min油淬后進行2次560 ℃×2 h的回火處理。

表1 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

利用電火花線切割機在熱處理后的4組試樣上截取尺寸為12 mm×12 mm×12 mm的金相試樣，經(jīng)磨拋，采用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Nikon ECLIPSEMA100型光學顯微鏡下觀察拋光態(tài)形貌和顯微組織，根據(jù)GB/T 10561-2005對拋光態(tài)非金屬夾雜物進行評級。采用Zeiss Supra 40型掃描電子顯微鏡(SEM)進一步觀察顯微組織并隨機選取10個10 000倍視場，使用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計特定組織的平均體積分數(shù)[7]。采用MH-3型顯微維氏硬度計測試熱處理后試樣的硬度，載荷為50 N、保載時間為5 s，每組試樣測5個點取平均值。

采用PTI-CWMP型自動金相試樣磨拋機對熱處理試樣進行機械研磨和拋光，根據(jù)磨拋機的額定功率和壓力確定磨拋參數(shù)，如表2所示。手動磨拋步驟與機械磨拋一致。采用BRUKER contour GT-K型光學輪廓儀測試拋光后試樣的平均表面粗糙度，表征拋光性能。為了測試試樣表面粗糙度極限，對試樣表面進行工程拋光(模具鋼實際加工過程中的專業(yè)手動拋光)，主要步驟為模具精加工后，采用電動研磨拋光工具，先用目數(shù)從小到大的砂紙清除機加工刀痕，隨后用從粗到細(最高為1200#)的油石進行打磨，最后用拋光膏進行拋光，以達到鏡面效果。

表2 機械磨拋參數(shù)

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：熱處理后，GB和NGB試樣均存在黑色圓形的非金屬夾雜物，為典型的球狀氧化物夾雜，NGB試樣還存在較球狀氧化物寬的硅酸鹽夾雜物；M和LB試樣的夾雜物呈顆粒狀，判斷其為氧化鋁夾雜物。這些硬質(zhì)夾雜物在拋光過程中部分會發(fā)生脫落，形成表面缺陷，實際生產(chǎn)中應盡量減少這類硬質(zhì)夾雜物的產(chǎn)生，降低其對表面拋光性能的不利影響[8]。

圖1 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后的拋光態(tài)形貌Fig.1 Polishing state morphology of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment:(a) GB sample; (b) NGB sample; (c) M sample and (d) LB sample

由表3可以看出，預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后的非金屬夾雜物等級相同，均為0.5或1級，符合GB/T 10561-2005標準要求，排除非金屬夾雜物對試樣表面拋光性能的影響。

表3 不同試樣非金屬夾雜物的評級結果

由圖2可以看出，GB、M以及LB試樣熱處理后的組織都均勻致密，碳化物彌散分布，NGB試樣組織均勻性較差并且存在嚴重的成分偏析。鋼液在凝固過程中，由于元素在某一位置的富集程度和凝固順序不同，冷卻過程溫度控制不當、冷速不均以及回火不充分均會造成組織不均勻[9]。組織具有一定的遺傳傾向，熱處理后NGB試樣最終的組織為不均勻的回火貝氏體。

圖2 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment:(a) GB sample; (b) NGB sample; (c) M sample and (d) LB sample

由圖3可以看出：熱處理后，GB試樣的組織主要為回火貝氏體，此外還存在鐵素體，白色滲碳體，形狀不規(guī)則、尺寸較小的M/A島以及細小碳化物，M/A島與塊狀鐵素體間隔分布，碳化物主要為鉻系碳化物，分布在鐵素體晶界上，呈非共格狀態(tài)，起到析出強化作用，有利于提高試樣的硬度[10]；NGB試樣熱處理后的組織與GB試樣的基本一致；M試樣熱處理后，組織仍主要為回火馬氏體，呈板條狀，板條馬氏體之間呈一定的特征位向關系，且存在大量均勻分布的小尺寸碳化物，起到析出強化作用；LB試樣熱處理后，組織中存在大量均勻分布的板條狀貝氏體、少量馬氏體、滲碳體以及碳化物，細小的片狀碳化物成行排列，與板條貝氏體相交，與貝氏體長軸的夾角約60°，表現(xiàn)為下貝氏體特征[11]。

圖3 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment:(a) GB sample; (b) NGB sample; (c) M sample and (d) LB sample

GB、NGB、M和LB試樣熱處理后，對應的主要組織分別為回火貝氏體、回火貝氏體、回火馬氏體以及下貝氏體。對不同試樣熱處理后的組織進行著色處理，經(jīng)統(tǒng)計，各試樣的主要組織占比(體積分數(shù))分別為27.1%，21%，26.2%，25.8%，NGB試樣中回火粒狀貝氏體含量明顯少于GB試樣的。在拋光過程中，試樣受到平行于拋光表面的切應力和垂直于拋光表面的壓縮應力作用，以切應力作用為主。根據(jù)金屬塑性變形時的體積不變定律[12]，在切應力作用下，試樣會發(fā)生垂直于表面的塑性變形。組織會影響試樣的塑性變形能，進而影響表面粗糙度，因此經(jīng)相同工藝機械拋光后試樣的表面粗糙度存在差異。

2.2 顯微硬度

由圖4可以看出，NGB試樣熱處理后不同位置的硬度波動最大，GB試樣熱處理后的硬度雖然略低于NGB試樣的，但分布穩(wěn)定性優(yōu)于NGB試樣的。

圖4 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后的硬度Fig.4 Hardness of samples at different positions of prehardened718 plastic mold steel after heat treatment

2.3 拋光性能

2.3.1 機械拋光

由圖5可以看出：機械拋光后，GB試樣的平均表面粗糙度最低，僅0.254 μm，NGB試樣的平均表面粗糙度最高，為0.580 μm，M、LB試樣的表面粗糙度均介于二者之間，其中M試樣的平均表面粗糙度為0.354 μm，低于LB試樣的0.534 μm。

圖5 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后經(jīng)機械拋光后的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment and mechanical polishing

在拋光過程中，基體受到平行于拋光表面的切應力作用，硬度較低的區(qū)域先發(fā)生塑性變形，硬度較高的區(qū)域后發(fā)生。在試樣預磨、精磨過程中，砂紙的硬質(zhì)顆粒在硬度較低的區(qū)域會留下較深的磨削痕跡，在硬度較高區(qū)域的磨削痕跡則較淺，隨著砂紙粗糙度降低，上一工序中留下的較深磨削痕跡被打磨但無法徹底消除，因此拋光表面硬度的不均勻會導致試樣的表面粗糙度增大。綜上，硬度最不均勻的NGB試樣拋光后的表面粗糙度最大。

GB試樣熱處理后的組織均勻性較M、LB、NGB試樣的好，碳化物顆粒更細小，拋光過程中細小的碳化物顆粒在鐵素體基體上僅發(fā)生細微滑動，并且M/A島作為硬質(zhì)相能顯著提高硬度，同時GB試樣熱處理后的硬度穩(wěn)定性較好，這使得拋光過程中表面各位置受到的切應力基本相同，有利于得到較平整的拋光表面[13]，因此GB試樣的表面粗糙度最小。M試樣熱處理后的組織中，回火馬氏體保持了馬氏體的板條特征，碳化物均勻分布在板條馬氏體間，有利于表面粗糙度的降低，因此M試樣表面的拋光性能略優(yōu)于LB試樣的。

2.3.2 手動拋光

由圖6可以看出，手動拋光試樣的表面粗糙度變化規(guī)律與機械拋光的一致，NGB試樣的組織和硬度分布不均勻，表面粗糙度最高，GB試樣的最低，LB、M試樣的介于二者之間。由圖7可以看出，工程拋光后GB試樣表面未出現(xiàn)橘皮紋或麻點等明顯缺陷，測得表面粗糙度極限Ra達0.019 μm，表明該試樣的表面質(zhì)量能滿足高端塑料模具鋼的使用要求。

圖6 預硬型718塑料模具鋼不同位置試樣熱處理后經(jīng)手動拋光后的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment and manual polishing

圖7 GB試樣工程拋光后的3D形貌Fig.7 3D morphology of GB sample after engineering polishing

3 結 論

(1) 預硬型718塑料模具鋼組織為不均勻粒狀貝氏體時，經(jīng)熱處理后的組織和硬度分布均勻性最差，導致機械和手動拋光后的表面粗糙度均最大，拋光性能最差；組織為均勻粒狀貝氏體時，熱處理后的組織均勻性最好，硬度較大且分布均勻，表面粗糙度最?。唤M織為回火馬氏體時，熱處理后的組織中均勻分布的碳化物使其表面的拋光性能略優(yōu)于組織為下貝氏體試樣的。

(2) 組織為均勻粒狀貝氏體時，經(jīng)工程拋光后模具鋼表面未出現(xiàn)橘皮紋或麻點等明顯缺陷，表面粗糙度極限可達0.019 μm，表面質(zhì)量滿足高端塑料模具鋼的使用要求。