P20塑料模具钢低能耗热处理工艺的生产实践①

李　明，张　逖

(南京钢铁联合有限公司第二炼钢厂， 江苏 南京　210035)



P20塑料模具钢低能耗热处理工艺的生产实践①

李明，张逖

(南京钢铁联合有限公司第二炼钢厂， 江苏 南京210035)

应用光学显微镜，洛氏硬度计对P20塑料模具钢进行了显微组织观察和硬度测定。研究了不同热处理工艺下塑料模具钢的组织及其硬度的变化规律，为大生产试制P20塑料模具钢提供技术参数。

热处理； 塑料模具钢； 低温回火； 预硬化

引　言

随着中国塑料工业的迅速发展，市场对大型塑料模具钢，尤其是P20钢的需求量日益增加。P20塑料模具钢的冶金生产工艺简便，成材率高，在预硬化硬度范围之内有较好的加工性能，淬透性好，可以使大截面的钢材获得均匀的硬度，尤其是镜面抛光性能明显优于普通碳素钢和低合金钢，可以广泛应用于制造大型塑料模具和高精度复杂型腔塑料模具[1]。传统热处理工艺是淬火/正火+回火，这样不仅工序多，同时也带来能源损失、工人劳动强度大等问题。因此，在模具钢生产中采用控轧控冷+低温回火的工艺是很好的节能途径。在小试样实验的基础上，对P20钢控轧控冷后直接回火的生产可行性进行了分析和研究。

1　工艺试验对比

1.1实验材料及方法

1.1.1实验材料

采用南京钢铁联合有限公司中板厂生产的P20钢，其化学成分如表1所示。

表1　P20钢的化学成分/%

1.1.2实验方法

相变点的测定采用热膨胀仪，按照GB5056-1985测定钢的相变点，加热速度为200 ℃/h，实验测出的Ac1及Ac3分别为740，800 ℃。

将热轧态试样进行不同温度淬火，淬火温度为：820，860，900，940 ℃，保温时间为40 min。对淬火后的试样进行不同温度回火，回火温度为：400，500，550，600℃。为了模拟大生产中钢板热处理工艺及钢板性能，还做了热轧态直接回火实验。将按照上述工艺处理后的试样制成金相试样，用硝酸酒精腐蚀后在光学显微镜下进行组织观察，并用洛氏硬度计测定各个试样的洛氏硬度。

1.2实验结果与讨论

1.2.1淬火温度对组织和硬度的影响

如图1所示为P20在不同淬火温度下的组织，油淬组织为针状马氏体和残余奥氏体。随着淬火温度的升高，晶粒逐渐粗化。820 ℃加热后油冷淬火，马氏体上分布的黑色针状物为托氏体组织，由于淬火冷速不足，马氏体的针叶不明显，工件的淬火温度偏于下限，奥氏体的合金化不够充分，淬火后马氏体连成一片，呈灰白色。860 ℃加热淬火，淬火马氏体中夹有羽毛状分布的上贝氏体，主要是因为冷却速度不够快，致使部分过冷奥氏体发生等温转变。在900 ℃加热淬火，由于加热温度适当，奥氏体合金化充分，得到中等的针状马氏体组织，马氏体有明显针状。

从表2可知，在淬火温度小于900 ℃时，随温度升高，钢的硬度增加，当淬火温度为820 ℃，硬度值可达HRC50.6，以后随着淬火温度的升高，硬度值的变化趋于稳定。马氏体是淬火状态的P20钢的基体组织，硬而脆，在淬火工件中有很大的组织应力和热应力，必须对淬火钢进行回火[3]。

图1　P20钢在不同温度的淬火组织

不同淬火温度/℃820860900940硬度/HRC50.651.852.551.2

1.2.2回火温度对淬火组织和硬度的影响

将在900 ℃油淬的试样进行不同温度的回火，保温40 min后，制成金相试样进行组织观察。如图2所示为不同温度的回火组织。回火过程中，随着回火温度的升高，马氏体板条的尺寸逐渐增加，析出了些弥散分布的小的碳化物颗粒，在550 ℃(如图2(c)所示)有些碳化物颗粒开始长大。随着回火温度的升高，板条的不断加宽是由于中碳钢淬火所得板条马氏体存在大量位错，在回火过程中发生回复与再结晶；回复初期，部分位错其中包括小角度晶界，即板条界上的位错将通过滑移与攀移而相消，使位错密度下降。部分板条界消失，相邻板条合并成宽的板条，剩下的位错将重新排列，逐渐转化为胞块。在温度足够高时，合金元素已具有足够的活动能力，故有可能形成合金碳化物，且随着温度升高，已形成的碳化物会聚集长大[2]。

图2　P20钢在900 ℃淬火及不同温度下的回火组织

如表3所示为不同回火温度下的硬度，可以看出，随着温度升高，回火硬度呈下降趋势。到550℃时下降速度加快。回火过程中的强化因素是第二相沉淀强化，即回火过程中不断析出弥散细小的碳化物。回火过程中，随着回火温度升高，弥散析出的碳化物发生聚集长大，碳化物数量减少，且长大会与基体失去共格，故强化效应减少。温度不断升高的回火过程中，硬度呈下降趋势，是由于软化因素始终大于强化因素所致。但软化因素在逐渐增强，强化因素先增强再减弱，550 ℃以后软化因素占更主要的地位，故硬度较550 ℃以前下降更快[4]。

表3　P20钢在900 ℃淬火及不同温度回火后的硬度

1.2.3回火温度对热轧组织和硬度的影响

将热轧态试样进行不同温度的回火，制成金相试样进行组织观察。如图3所示为不同温度的回火组织，由于采用轧后控制冷却得到贝氏体组织，经低温回火后得到回火贝氏体。贝氏体回火后的碳化物比回火索氏体的尺寸要小，这是由于贝氏体铁素体位错密度和碳含量均低，而位错又是碳化物优先形核处和碳原子扩散的通道，所示贝氏体铁素体中碳化物不易形成和长大[2]。

图3　热轧态P20钢在不同温度回火的组织

由表4可以看出，粒状贝氏体回火温度对硬度的影响与马氏体回火温度对硬度的影响类似。粒状贝氏体回火过程中的强化因素、软化因素与马氏体相同。由于贝氏体铁素体中碳的过饱和度比马氏体小，其析出温度比马氏体要高。且低温回火时，M/A岛的分解才刚刚开始，铁素体基体在400 ℃以前没有明显的转变，对硬度影响不大。故低温回火时，硬度变化比较平缓。在400 ℃以后，岛中马氏体分解，及铁素体基体转变的软化因素占主要地位，故硬度开始下降[2,5,7-8]。

表4　热轧态P20钢不同温度回火后的硬度

2　工业试制

工业生产中，30 mm的钢板上冷床后待表面温度降为400 ℃时下线。热轧态钢材截面硬度HRC 36～38，金相组织如图4(a)所示，为贝氏体。经过低温回火后钢材截面硬度HRC33～34，金相组织见图4(b)所示，为回火贝氏体组织。采用正火轧制+低温回火工艺，钢材截面硬度均匀，满足模具钢的使用硬度要求，冲击性能良好[7,9-10]。

图4　金相组织

3　结　论

(1) 在P20中添加微量的硼延长了铁素体相变孕育期，抑制铁素体生成，提高淬透性，使厚板的截面硬度更加均匀，具有很好的应用价值[6]。

(2) P20经过900 ℃淬火后，在不同温度下回火过程中，随着回火温度升高，马氏体板条的尺寸逐渐增加，析出了些弥散分布的小的碳化物颗粒，在550 ℃时有些碳化物颗粒开始长大。随着温度升高，回火硬度呈下降趋势，到550 ℃时下降速度加快。

(3) 现场试制采用控轧控冷+低温回火工艺，其组织为回火贝氏体组织，在此状态具有良好的强韧性和足够的硬度，洛氏硬度32～36之间。通过正火轧制代替离线正火，可以为企业带来很大的经济效益和社会效益。

[1]赵彦灵，于生，姜富刚.P20钢预硬化处理工艺研究[J].宽厚板，1996，2(6)：12—15.

[2]宋义全，于键，刘宗昌，等.P20塑料模具钢的回火组织与硬度[J].包头钢铁学院学报，2003，22(1)：42—45.

[3]潘丽珍，冯志云.塑料磨具钢P20的开发与研制[J].山西冶金，1998，(1)：38—40.

[4]刘东升，王国栋，刘相华，等.P20钢变形奥氏体连续冷却时的相变规律[J].金属学报，1998，34(3)：271—277.

[5]刘宗昌，宋义全，马党参.P20钢预硬化组织及工艺[J].包头钢铁学院学报，2002，21(4)：332—325.

[6]陈卓，吴晓春，汪宏斌，等.硼对P20钢淬透性能的影响[J].钢铁，2007，42(7)：76—78.

[7]陈千.预硬化P20塑料模具钢试制[J].特钢技术，2001，9(1)：72—74.

[8]张兴锦，吴会亮，陈永南，等.P20塑料模具钢预硬化热处理工艺的研究[J].宽厚板，2015，(4)：35—38.

[9]张铁林，空冷经济型P20塑料模具钢的热处理工艺及硬度研究[J].南方金属，2013，(5)：18—20.

[10]斯松华，王锐，张逖，等.经济型P20塑料模具钢的组织与硬度研究[J].热处理，2010，25(5)：31—34.

2016-02-25

李明(1983—)，男，硕士，工程师。E-mail:liming1@njsteel.com.cn

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