显微组织对预硬型718塑料模具钢表面抛光性能的影响

张 乐，许 镇，李 志，陈 旋，吴晓春

(上海大学材料科学与工程学院，省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444)

0 引 言

塑料模具的表面质量很大程度上取决于其表面抛光后的性能，优异的抛光性能可显著提高模具的表面质量，延长模具的使用寿命。大模块塑料模具钢由于具有尺寸效应，不同部位的组织存在差异，影响着模具钢整体的抛光性能和抛光后的表面质量[1]，因此研究模具钢显微组织对表面抛光性能的影响尤为重要。

目前国内塑料模具钢的抛光方式有手动抛光和机械抛光两种，关于塑料模具钢显微组织对抛光性能影响的研究已取得一定的成果。KLOCKE等[2]提出了手动抛光存在不稳定等问题，并指出钢中夹杂物含量越低，抛光后的表面质量越好；李知伦等[3]研究发现，大型预硬化718塑料模具钢组织均匀分布时，可获得较好的抛光表面；吴代烜[4]指出模具低的表面粗糙度既能减小注塑过程模具型腔表面的局部腐蚀损伤，又能提高产品的质量；王勇围等[5]认为合金元素的微观偏析使得3Cr2MnNiMo钢基体局部的显微硬度增大，对抛光性能产生较大影响；LUO等[6]研究发现，塑料模具钢的显微组织会影响其表面粗糙度极限。

为研究传统大截面预硬型718塑料模具钢显微组织对其抛光性能的影响，作者在大截面预硬型718塑料模具钢不同位置截取试样并进行回火热处理，对热处理后的试样进行手动和机械抛光后测试表面粗糙度，并探索了满足使用要求的表面粗糙度极限，为大截面预硬型718塑料模具钢表面抛光性能的研究提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为国内某特钢厂生产的2块大型锻制预硬型718塑料模具钢(A和B)。根据前期试验，沿模具钢A横截面心部、距离横截面心部1/4处、边部以及模具钢B横截面心部分别截取尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的4组试样，4组试样的显微组织分别为均匀的粒状贝氏体(标记为GB试样)、下贝氏体(标记为LB试样)、回火马氏体(标记为M试样)以及不均匀的粒状贝氏体(标记为NGB试样)，不同试样的化学成分见表1，硬度均为(37±0.5) HRC。对4组试样进行相同工艺热处理。热处理工艺均为880 ℃×35 min油淬后进行2次560 ℃×2 h的回火处理。

表1 预硬型718塑料模具钢不同位置试样的化学成分(质量分数)

利用电火花线切割机在热处理后的4组试样上截取尺寸为12 mm×12 mm×12 mm的金相试样，经磨抛，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在Nikon ECLIPSEMA100型光学显微镜下观察抛光态形貌和显微组织，根据GB/T 10561-2005对抛光态非金属夹杂物进行评级。采用Zeiss Supra 40型扫描电子显微镜(SEM)进一步观察显微组织并随机选取10个10 000倍视场，使用Image-Pro Plus软件统计特定组织的平均体积分数[7]。采用MH-3型显微维氏硬度计测试热处理后试样的硬度，载荷为50 N、保载时间为5 s，每组试样测5个点取平均值。

采用PTI-CWMP型自动金相试样磨抛机对热处理试样进行机械研磨和抛光，根据磨抛机的额定功率和压力确定磨抛参数，如表2所示。手动磨抛步骤与机械磨抛一致。采用BRUKER contour GT-K型光学轮廓仪测试抛光后试样的平均表面粗糙度，表征抛光性能。为了测试试样表面粗糙度极限，对试样表面进行工程抛光(模具钢实际加工过程中的专业手动抛光)，主要步骤为模具精加工后，采用电动研磨抛光工具，先用目数从小到大的砂纸清除机加工刀痕，随后用从粗到细(最高为1200#)的油石进行打磨，最后用抛光膏进行抛光，以达到镜面效果。

表2 机械磨抛参数

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出：热处理后，GB和NGB试样均存在黑色圆形的非金属夹杂物，为典型的球状氧化物夹杂，NGB试样还存在较球状氧化物宽的硅酸盐夹杂物；M和LB试样的夹杂物呈颗粒状，判断其为氧化铝夹杂物。这些硬质夹杂物在抛光过程中部分会发生脱落，形成表面缺陷，实际生产中应尽量减少这类硬质夹杂物的产生，降低其对表面抛光性能的不利影响[8]。

图1 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后的抛光态形貌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，预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后的非金属夹杂物等级相同，均为0.5或1级，符合GB/T 10561-2005标准要求，排除非金属夹杂物对试样表面抛光性能的影响。

表3 不同试样非金属夹杂物的评级结果

由图2可以看出，GB、M以及LB试样热处理后的组织都均匀致密，碳化物弥散分布，NGB试样组织均匀性较差并且存在严重的成分偏析。钢液在凝固过程中，由于元素在某一位置的富集程度和凝固顺序不同，冷却过程温度控制不当、冷速不均以及回火不充分均会造成组织不均匀[9]。组织具有一定的遗传倾向，热处理后NGB试样最终的组织为不均匀的回火贝氏体。

图2 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后的显微组织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

由图3可以看出：热处理后，GB试样的组织主要为回火贝氏体，此外还存在铁素体，白色渗碳体，形状不规则、尺寸较小的M/A岛以及细小碳化物，M/A岛与块状铁素体间隔分布，碳化物主要为铬系碳化物，分布在铁素体晶界上，呈非共格状态，起到析出强化作用，有利于提高试样的硬度[10]；NGB试样热处理后的组织与GB试样的基本一致；M试样热处理后，组织仍主要为回火马氏体，呈板条状，板条马氏体之间呈一定的特征位向关系，且存在大量均匀分布的小尺寸碳化物，起到析出强化作用；LB试样热处理后，组织中存在大量均匀分布的板条状贝氏体、少量马氏体、渗碳体以及碳化物，细小的片状碳化物成行排列，与板条贝氏体相交，与贝氏体长轴的夹角约60°，表现为下贝氏体特征[11]。

图3 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后的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试样热处理后，对应的主要组织分别为回火贝氏体、回火贝氏体、回火马氏体以及下贝氏体。对不同试样热处理后的组织进行着色处理，经统计，各试样的主要组织占比(体积分数)分别为27.1%，21%，26.2%，25.8%，NGB试样中回火粒状贝氏体含量明显少于GB试样的。在抛光过程中，试样受到平行于抛光表面的切应力和垂直于抛光表面的压缩应力作用，以切应力作用为主。根据金属塑性变形时的体积不变定律[12]，在切应力作用下，试样会发生垂直于表面的塑性变形。组织会影响试样的塑性变形能，进而影响表面粗糙度，因此经相同工艺机械抛光后试样的表面粗糙度存在差异。

2.2 显微硬度

由图4可以看出，NGB试样热处理后不同位置的硬度波动最大，GB试样热处理后的硬度虽然略低于NGB试样的，但分布稳定性优于NGB试样的。

图4 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后的硬度Fig.4 Hardness of samples at different positions of prehardened718 plastic mold steel after heat treatment

2.3 抛光性能

2.3.1 机械抛光

由图5可以看出：机械抛光后，GB试样的平均表面粗糙度最低，仅0.254 μm，NGB试样的平均表面粗糙度最高，为0.580 μm，M、LB试样的表面粗糙度均介于二者之间，其中M试样的平均表面粗糙度为0.354 μm，低于LB试样的0.534 μm。

图5 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后经机械抛光后的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment and mechanical polishing

在抛光过程中，基体受到平行于抛光表面的切应力作用，硬度较低的区域先发生塑性变形，硬度较高的区域后发生。在试样预磨、精磨过程中，砂纸的硬质颗粒在硬度较低的区域会留下较深的磨削痕迹，在硬度较高区域的磨削痕迹则较浅，随着砂纸粗糙度降低，上一工序中留下的较深磨削痕迹被打磨但无法彻底消除，因此抛光表面硬度的不均匀会导致试样的表面粗糙度增大。综上，硬度最不均匀的NGB试样抛光后的表面粗糙度最大。

GB试样热处理后的组织均匀性较M、LB、NGB试样的好，碳化物颗粒更细小，抛光过程中细小的碳化物颗粒在铁素体基体上仅发生细微滑动，并且M/A岛作为硬质相能显著提高硬度，同时GB试样热处理后的硬度稳定性较好，这使得抛光过程中表面各位置受到的切应力基本相同，有利于得到较平整的抛光表面[13]，因此GB试样的表面粗糙度最小。M试样热处理后的组织中，回火马氏体保持了马氏体的板条特征，碳化物均匀分布在板条马氏体间，有利于表面粗糙度的降低，因此M试样表面的抛光性能略优于LB试样的。

2.3.2 手动抛光

由图6可以看出，手动抛光试样的表面粗糙度变化规律与机械抛光的一致，NGB试样的组织和硬度分布不均匀，表面粗糙度最高，GB试样的最低，LB、M试样的介于二者之间。由图7可以看出，工程抛光后GB试样表面未出现橘皮纹或麻点等明显缺陷，测得表面粗糙度极限Ra达0.019 μm，表明该试样的表面质量能满足高端塑料模具钢的使用要求。

图6 预硬型718塑料模具钢不同位置试样热处理后经手动抛光后的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of samples at different positions of prehardened 718 plastic mold steel after heat treatment and manual polishing

图7 GB试样工程抛光后的3D形貌Fig.7 3D morphology of GB sample after engineering polishing

3 结 论

(1) 预硬型718塑料模具钢组织为不均匀粒状贝氏体时，经热处理后的组织和硬度分布均匀性最差，导致机械和手动抛光后的表面粗糙度均最大，抛光性能最差；组织为均匀粒状贝氏体时，热处理后的组织均匀性最好，硬度较大且分布均匀，表面粗糙度最小；组织为回火马氏体时，热处理后的组织中均匀分布的碳化物使其表面的抛光性能略优于组织为下贝氏体试样的。

(2) 组织为均匀粒状贝氏体时，经工程抛光后模具钢表面未出现橘皮纹或麻点等明显缺陷，表面粗糙度极限可达0.019 μm，表面质量满足高端塑料模具钢的使用要求。