分享：718塑料模具钢锯切表面不平原因

闫志波,贺会敏,王向明

 (石家庄职业技术学院机电工程系,石家庄 050081)

 摘 要:718塑料模具钢出现锯切表面不平问题。采用化学成分测试、组织形貌观察、微区成分 分析以及硬度测试等方法对其表面不平原因进行分析。结果表明:铬、锰和钼元素的偏析是造成锯 切表面不平的根本原因;元素偏析使得718塑料模具钢中形成由回火马氏体和回火下贝氏体组成 的硬度高于基体组织的硬相组织,导致在锯切过程中产生表面不平问题;建议采取增大冷却强度或 增加均质化热处理工艺来降低微观偏析,以避免该问题的产生。 

关键词:718塑料模具钢;锯切表面不平;元素偏析;硬度不均匀 中图分类号:TG142.1 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)03-0098-05 

0 引 言

 美国在20世纪70年代推出的 P20通用型塑 料模具钢,经 过 多 年 发 展 推 广 虽 然 已 得 到 广 泛 应 用,但不能保 证 大 截 面 塑 料 模 具 的 整 体 淬 透 性 要 求。相关研究[1]表明,P20塑料模具钢只能保证厚 度不大于350 mm 的模 块 或 扁 钢 淬 透。718 预 硬 化塑料模具 钢 通 过 添 加 镍 元 素 来 提 高 淬 透 性,可 以弥补 P20模具钢在大截面模具淬透性方面的不 足[2],是在 P20钢的基础上改进后的一种模具钢。 该类模具钢 直 接 在 冶 金 厂 完 成 钢 材 的 调 质 处 理, 适用于制作大型、精密、复杂及镜面抛光的塑料模 具[3],已成为大型塑料模具的优选材料[4]。与 P20 钢相比,预硬 化 型 塑 料 模 具 钢 可 以 有 效 避 免 模 具 淬火产生的变形开裂,保证尺寸精度,并能缩短制 模周期,降低生产成本[5]。 通常718塑料模具钢预硬化至28~35HRC时 由用户直接切削加工成型[6]。某厂生产的718预硬 型塑料模具钢调质态的化学成分如表1所示,尺寸 为3800mm×1450mm×650mm,主要工艺流程 为转炉(BOF)→钢包精炼(LF)→真空脱气(VD)→ 下注模铸 → 缓冷 → 热锻 → 调 质,其 中 调 质 工 艺 为 860℃×9h水空交替淬火+540 ℃×4h回火。模 块截面厚度为800mm,质量为32t。该模具钢在用 户使用过程中出现锯切表面不平问题,严重影响了 其使用。为了找到表面不平的原因,作者对其进行 了失效分析。 98 闫志波,等:718塑料模具钢锯切表面不平原因 

1 理化检验及结果

 1.1 化学成分 

采用 ARL4460型光电直读光谱仪测试调质态 718预硬型塑料模具钢的化学成分。由表1可以看 出,模具钢中含有一定的铬、钼元素,化学成分符合 标准要求。 表1 718预硬型塑料模具钢的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionof718pre-hardenedplastic mouldsteel mass % C Si Mn Ni Cr Mo P S 0.35 0.28 1.50 1.00 1.93 0.29 0.01 0.002

 1.2 微观形貌 

采用ZEISSStemi2000-C型体视显微镜观察锯 切表面形貌。由图1可以看出,锯切表面存在大量 凸起。 图1 718预硬型塑料模具钢锯切后的表面形貌 Fig 1 Surfacemorphologyof718pre-hardenedplasticmouldsteel aftersawcutting a position1and b position2 采用ZEISSLSM700型激光共聚焦显微镜观察 锯切表面的3D形貌,测定凸起高度。由图2可以看 出,锯切表面凸起部位较其余位置高出0.5mm 左右。

 1.3 显微组织 

采用线切割机垂直于锯切面将模具钢剖开,截 取尺寸为10mm×10mm×10mm 的金相试样,经 镶嵌、磨抛,采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐 蚀后,在 AXioImagerM2m 型光学显微镜和ZEISS 图2 激光共聚焦显微镜下718预硬型塑料模具钢锯切后的表面形貌 Fig.2 Surfacemorphologyofthe718pre-hardenplasticmould steelaftersawcuttingunderlaserconfocalmicroscope ULTRA55型场发射扫描电子显微镜(SEM)下观 图3 718预硬型塑料模具钢锯切面凸起处的剖面显微组织 Fig 3 Profile microstructure of bulge position on saw cutted surfaceof718pre-hardenedplasticmouldsteel a low magnification b enlargement of bulge position and c enlargementofsubstrate 察显微组织。由图3可以看出,凸起位置的组织不 均匀,为亮白色物质上不均匀分布着黑色针状物质, 而基体组织为均匀的回火组织。 由 图4可以看出,基体组织均匀,基体上分布有 99 闫志波,等:718塑料模具钢锯切表面不平原因 图4 718预硬型塑料模具钢基体的SEM 形貌 Fig 4 SEM morphologyofsubstrateof718pre-hardenedplastic mouldsteel a lowmagnificationand b highmagnification 大量较粗大的碳化物,贝氏体或马氏体板条特征不 明显。718塑料模具钢由于含有一定量的锰、铬、镍 和钼元素,具有优异的淬透性[7]。在淬火过程中,其 表面往往形成马氏体组织,内部则容易形成贝氏体 组织[8],在随后的高温(500~650 ℃)回火中马氏体 析出均匀细小的碳化物[9]。但是,试验钢中却形成 了粗大碳化物,因此,基体组织为回火后的贝氏体组 织,且由于粗大碳化物多为颗粒状,沿相同方向排列 的片层状较少,因此,贝氏体主要为粒状贝氏体。 光学显微镜下的衬度一般与扫描电镜下的相反, 即光学显微镜下的黑色在扫描电镜下的颜色较浅,亮 白色在扫描电镜下的颜色较深。由图5可以看出:浅 色组织中存在沿同一方向分布的片层状碳化物,分布 密度高于基体的,且碳化物方向与板条方向的夹角约 60°,可以判断浅色组织为下贝氏体;深色组织与浅色 组织相比,碳化物的析出量较少,尺寸较小,沿三个方 向分布,密度也高于基体的,为典型的回火马氏体中 析出的碳化物。因此,判断深色组织为回火马氏体。 图5 718预硬型塑料模具钢锯切面凸起位置的剖面SEM 形貌 Fig 5 SEM morphologyofprofileofbulgepositiononsawcuttedsurfaceof718pre-hardenedplasticmouldsteel a lowmagnification b lowerbainite c temperedmartensiteand d precipitatesintemperedmartensite 1.4 硬 度 采用 WilsonTukon2500型维氏硬度计测试模 具钢的表面硬度,载荷为9.8N,保载时间为10s。 基体硬度为313HV(31.4 HRC)左右,而凸起位置 的硬度最高为552HV(52.5HRC)。

 1.5 微区成分分析

 凸起位置的硬度较高表明该处的回火过程较 慢,具有较高的抗回火性。凸起位置和基体经历了 相同的热处理过程,因此造成二者的组织和硬度不 同 的 原 因 可 能 是 二 者 的 成 分 存 在 差 异。 采 用 SHIMADZUEPMA-1720型电子探针仪对凸起位 置的化学成分进行分析,扫描位置为硬度测试点附 近。由图6可以看出,锰元素在凸起位置发生了富 集。这是由于718模具钢铸锭在凝固过程中发生了 较严重的偏析,而且这种偏析在后续的锻造和热处 理过程中没有得到消除[3]。 100 闫志波,等:718塑料模具钢锯切表面不平原因 图6 凸起位置的锰元素面扫描位置和结果 Fig 6 Mnelementalmappingposition a andresults b ofbulgeposition 由图7可以看出,铬、锰、钼元素在凸起位置的 相同区域发生了富集,富集处的含量分别为4.6%, 2.3%,0.91%(质量分数),其中铬和钼元素的含量 波动较大,其原因可能是局部存在铬和钼的碳化物, 从而使二者的含量在某些位置达到峰值。与其他元 素相比,镍元素的含量没有发生明显的变化。 图7 凸起位置的锰、铬、镍、钼元素线扫描位置和结果 Fig 7 Mn Cr Ni Moelementslinescanningposition a andresult b ofbuldgeposition 

2 锯切表面不平原因分析

 由理化检验结果可知:718塑料模具钢基体组 织均匀,为分布有粗大颗粒状碳化物的粒状贝氏体 组织,回火后的硬度达31.4HRC;锯切表面凸起位 置组织不均匀,出现了通常在较低温度、较快冷速下 生成的下贝氏体和马氏体组织,且下贝氏体和马氏 体上均分布有碳化物,碳化物密度显著高于粒状贝 氏体的;凸起位置硬度较高,达52.5HRC,局部区域 存在严重的铬、锰和钼元素偏析。 铬、锰和钼元素的偏析提高了偏析处奥氏体的 淬透性和淬硬性[10],从而在冷速较低的凸起位置形 成了硬度显著高于周围基体组织的下贝氏体和马氏 体组织[11] ;铬和钼元素为强碳化物形成元素,其偏 析能够增强马氏体的回火抗力,减少马氏体回火过 程中的硬度下降速率[12]。凸起位置的硬度较高也 说明此处具有较高的抗回火性。GRANGE 等[13]的 研究也表明,铬、锰和钼元素的富集能够显著降低马 氏体回火后的硬度下降速率。此外,在铬、钼含量较 高的钢中,淬火马氏体在高温回火过程中由于合金 碳化物的析出能够进一步减缓马氏体硬度的下降, 甚至产生二次硬化现象[14],因此偏析部位很有可能 出现了二次硬化现象,进一步增大了偏析部位和基 体组织的硬度差,使得凸起位置的硬度显著高于基 体的,二者差值达20HRC。由于硬度的不均匀性, 在使用刚度不高的切削加工方式,如带锯锯切时容 易出现表面不平问题。

 3 结论及措施

 (1)铬、锰以及钼元素的偏析是造成718塑料 模具钢锯切表面不平的根本原因。元素偏析使得模 具钢中形成由回火马氏体和回火下贝氏体组成的硬 相组织,该组织的硬度显著高于基体组织回火粒状 贝氏体的;硬度的不均匀性导致在切削过程中产生 锯切表面不平问题。 (2)建议钢液凝固时采取增大冷却强度以减轻 元素偏析程度;当尺寸较大,难以采用传统锻造热变 形方式改善微观偏析时,可以通过增加均质化热处 101 闫志波,等:718塑料模具钢锯切表面不平原因 理工艺来降低微观偏析的影响。

来源：材料与测试网