3Cr17型模具钢碳化物偏析问题研究

2015-03-27马卫东张宏祥

黄河水利职业技术学院学报 2015年4期

马卫东，张宏祥

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

模具是工业生产的基础工艺装备，被称为“工业之母”。模具的质量与使用寿命不仅依赖于合理的结构设计和加工精度，还受到模具材料和热处理的影响。3Cr17型不锈钢是一种新型的优质塑料模具钢，不仅有较好的耐蚀性能，淬火后硬度也要优于2Cr13等塑料模具钢。但是，由于国产模具钢在工艺设计和成分控制上的欠缺，影响了该钢材的工艺性能和使用性能。根据国内模具业的实际情况，要解决该问题，首先应对国产模具钢进行后续热处理，使其内部组织均匀化，从而改善其力学性能及使用性能。

1 球化退火的工艺措施

1.1 研究现状

试验所用3Cr17钢化学成分为：碳C （0.26%～0.35%），硅 Si（≤1.00%），锰 Mn（≤1.00%），硫 S（≤0.030%），磷 P（≤0.035%），铬 Cr（15.00%～17.00%）等。

目前，国内对改善Cr12型钢材性能研究较多，而对Cr17型不锈钢研究则较少。在此研究领域，武汉工学院的周悠等通过对3Cr17NiMo能谱分析，指出：国产3Cr17钢材的化学成分设计不理想是造成抛光性能不及国外同类钢的主要原因［1］。昆明理工大学的赵亮等对3Cr17Mo钢的淬回火组织和力学性能进行了研究［2］。刘海涛等研究了初始凝固组织对Cr17铁素体不锈钢组织、织构、成形性的影响，并从钢铁铸造生产层面进行了研究，指出改善钢材质量的方法［3］。湖南科技大学的邹安全等对改善Cr12钢不均匀性碳化物分布做了一定的研究［4］。郭淑娟等提出了针对Cr12型模具钢的预冷等温球化退火工艺［5］。这些研究对3Cr17型模具钢材料性能改善提供了有益的参考和借鉴。

1.2 关键的工艺问题

模具钢碳化物偏析问题可用等温退火的方法加以解决。但是，对于3Cr17型模具钢，常规的退火处理不仅热处理周期长，还很难得到均匀分布的小颗粒碳化物。3Cr17型模具钢热处理的关键工艺是加热温度、等温时间。球化退火的加热温度是影响球化程度完全与否的关键因素。合适的加热温度既能保证片状珠光体消失，又能保留一部分未完全溶于奥氏体的碳化物作为球化核心，最终形成较粗大的颗粒状碳化物的正常球化组织。如果温度过低，由于加热不充分形成热处理缺陷；温度过高，又可能形成过热甚至过烧，造成晶粒粗大甚至晶界烧熔。研究发现，采用（940±10）℃的加热温度以及较短的时间，可以收到更好的球化效果。等温段是生成球状珠光体的关键阶段。保温时间时间不足，奥氏体内部成分不均匀，以致球化不彻底，碳化物组织方向性明显；如果时间过长，又会造成碳化物颗粒粗大，并增加热处理的周期和成本。

2 新工艺措施对组织性能的影响

2.1 保温前快速冷却对组织性能的影响

通过研究热处理参数对3Cr17型模具钢使用寿命的影响，提出了3Cr17型模具钢在（940±10）℃加热→保温前快速冷却数次→730℃保温→冷却出炉的热处理新工艺。将快速冷却次数、保温时间等作为分析因素。在设定范围内，对分析因素各选取一组数值，分别采用不同的数据组合形式进行试验，并通过金相观察、硬度测定、拉伸试验，对其组织结构和力学性能进行评价。试验研究采用单因素轮换法，即每次试验改变其中一个条件，而其他条件保持不变，寻找出该条件对热处理结果的影响，最终得出碳化物均匀度、硬度、强度和韧性及热处理周期综合指标最佳的工艺方案。

图1 3Cr17不锈钢处理前的显微组织（400X）Fig.1 Micro structural(400X)of 3Cr17 steel before disposal

图2 不同淬冷次数的3Cr17不锈钢显微组织（400X）Fig.2 Micro structural(400X)of 3Cr17 stainless steel under different quenching times

图1和图2分别为处理前、后的3Cr17钢显微组织。从图1和图2可以看出，处理前，3Cr17钢组织形式为为铁素体＋片状珠光体，渗碳体积聚在片状珠光体中，碳化物偏析严重。处理后，3Cr17钢的片状珠光体已基本消失，原来积聚在片状珠光体中的渗碳体已经高度球化，白色的铁素体基体上均匀分布着众多颗粒状的渗碳体。

图 2（a）为 940℃加热 1 h，730℃保温出炉后的3Cr17不锈钢显微组织。该图显示渗碳体只有极少部分球化。

图 2（b）、2（c）、2（d）分别为 940 ℃加热 1 h，期间快速油冷1次、2次、3次后，再730℃保温出炉后的3Cr17不锈钢显微组织。由这3个图可以看出，3Cr17钢碳化物的形态和分布有了明显改善，金属组织中的渗碳体已经高度球化，并随着油冷次数的增加，球状碳化物分布更加均匀。

2.2 等温时间对组织性能的影响

图3为不同保温时间3Cr17不锈钢钢的显微组织变化。

图3 不同保温时间3Cr17不锈钢钢显微组织（400X）Fig.3 Micro structural(400X)of 3Cr17 stainless steel under different soaking times

等温段是生成球状珠光体的关键阶段。从图3中可以看出，保温时间低于2 h时，由于奥氏体内部成分不均匀，导致球化不是非常充分，碳化物组织显示了一定的方向性。随着保温时间的增加，碳化物相对比较均匀，但碳化物颗粒有了一定程度的增大，并增加了热处理周期和成本。综合考虑，保温时间应以2～3 h为宜。

3 采用新工艺处理后钢材机械性能的改变

图4为采用本热处理工艺前后，3Cr17不锈钢拉伸性能曲线。图4（a）为未退火处理的3Cr17不锈钢拉伸曲线，图4（b）为退火处理后的3Cr17不锈钢拉伸曲线图。通过比较可以看出，退火处理前，3Cr17不锈钢的抗拉强度比处理后稍高，但几乎没有屈服现象就发生断裂。这说明，其塑性极差。退火处理后，在拉伸过程中，出现了屈服现象，伸长率也明显增加。这显示，其具备了一定的韧性，综合机械性能得到提高。