组织形态对718塑料模具钢切削性能的影响

王宇斌，王 勇，陈 旋，吴晓春✉

1) 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444 2) 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

由于对塑料产品尺寸精度的严格要求，预硬化处理已被广泛用于大型塑料制件的模具的生产中，典型的热处理方式为奥氏体化温度淬火+回火，但是较大的体积导致其截面上同时存在回火马氏体和贝氏体组织，组织不均匀对预硬化塑料模具钢的切削性能产生了较大的影响[1]. 据统计，模具钢加工生产费用占据总费用的60%～70%[2]，因此，探索组织结构对切削性能的影响十分迫切.

目前，针对组织特征如何影响切削性能已经有了一定的研究成果[3-5]，章顺虎[6]通过空冷得到组织为粒状贝氏体的1CrMn2MoVTiB钢，发现比调质态的P20钢具有更佳的刀具使用寿命.Hoseiny等[7]研究Nimax钢时发现贝氏体组织比回火马氏体组织具有更佳的切削性能. Hoseiny等[2]研究Impax HH钢的贝氏体等温淬火工艺，发现贝氏体组织比调质态组织具有更好的切削性能.Huang等[8]、Xavior等[9]认为决定材料加工性能的主要因素是加工硬化率以及屈服强度. 但是，关于组织结构对于切削性能的影响仍然没有形成系统性的研究.

结合上述研究成果，选用大截面通用型塑料模具钢718钢作为研究对象，本文使用不同的热处理工艺制备出具有回火马氏体组织、下贝氏体组织以及粒状贝氏体组织的718钢，通过研究三种组织形态在不同转速下切削力、粗糙度、加工硬化率、刀具寿命及磨损失效形式，为提高718切削性能提供热处理工艺以及切削参数的参考.

1 实验材料及方法

1.1 材料及热处理工艺

本次实验材料为718塑料模具钢，其化学成分如下表1所示，为了研究显微组织对机加工性能的影响，对尺寸为150 mm×100 mm×60 mm的工件进行了以下三种热处理，如图1所示，马氏体组织的热处理方式为880 ℃保温30 min，出炉后油淬，在560 ℃回火2 h×2次；下贝氏体组织的热处理方式为880 ℃保温30 min，然后在310 ℃下等温处理，盐浴淬火保温时间为5 h，随后油冷至室温，在560 ℃回火2 h；粒状贝氏体组织的热处理方式为880 ℃保温30 min，在390 ℃等温盐浴，保温5 h，油冷至室温，在560 ℃下回火2 h.

表1 718钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of 718 steels%

图1 三种组织的热处理工艺曲线. LB—下贝氏体；GB—粒状贝氏体；M—回火马氏体Fig.1 Process curve of three microstructures: LB—Low bainite;GB—granular bainite; M—tempered mastensite

1.2 组织表征和机械性能测试

将热处理后的试样磨抛，使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用光学显微镜（OM）和ZIESS SUPRA 40高分辨场发射扫描电子显微镜（SEM）对组织进行表征. 使用理学电机株式会社18KW D/MAX2500V+PC型XRD衍射仪分析其残余奥氏体含量.

根据GB/T 228.1—2010以及GB/T 229—2007制作标准试样，使用万能拉伸实验机进行纵向拉伸性能测试. 使用上海恒一MH-3L型显微硬度计进行硬度测试，载荷2 N，保压10 s，测试每块试样的基体硬度以及机加工后表面显微硬度，每个试样进行10次测试，结果取平均值.

1.3 切削性能测试

本次铣削实验采用的是立式机床（HARDINCE VMC-1000II），最大功率5.5 kW，主轴转速8000 r·min-1.刀具为整体硬质合金4刃平头立铣刀，国产GU26UF，直径8 mm，TiAlN涂层，加工参数如表2所示，参数选择根据机器额定功率而定. 使用YDCB-III05三向压电测力系统测试铣削过程中的x、y、z方向的铣削力，量程0～1000 N，分辨率1 N，重复性＜±1%，采样频率100 Hz.

根据钝磨标准将后刀面的平均磨损量VB=0.3 mm做为评价刀具寿命的标准，使用超镜深显微镜对后刀面背吃刀量的1/2处进行观察，测量磨损尺寸，使用扫描电子显微镜SEM观察后刀面磨损类型，使用能谱仪EDS对后刀面进行扫描，观察元素分布，研究不同刀具的磨损情况.

表 2 机加工参数Table 2 Cutting conditions

使用BRUKER contour GT-K光学轮廓仪测量试样表面粗糙度并进行3D形貌的创建.

2 实验分析

2.1 显微组织及性能

图2（a）和2（b）为下贝氏体组织的显微组织图，可以观察到存在贝氏体及少量马氏体组织，贝氏体板条上分布着条形碳化物，如箭头所指，与板条角度呈55°～60°，这是下贝氏体的典型特征，碳化物长度通常从几十纳米至1 μm不等，为渗碳体型碳化物[10]. 图2（c）为粒状贝氏体组织的显微组织图，基体上分布的马氏体/奥氏体（M/A）岛尺寸较小，如图2（c）中箭头所指，可以发现M/A岛呈分解状态，这是由于等温热处理加上回火的长时间保温导致，在其他低合金钢中也存在M/A岛的受热分解现象，且铁素体边界上形成的碳化物会形成裂纹萌生源，对韧性造成一定的影响[11-12]. 图2（d）中的M/A岛上分布着少量细小碳化物.

经过调质处理得到的试样组织为回火马氏体，如图2（e）所示，可以看见明显的马氏体板条结构，且板条之间呈60°位向关系. 图2（f）中可以发现在马氏体板条间分布着小尺寸碳化物，且数量明显多于板条内碳化物. 小尺寸碳化物析出于板条之间，对位错团簇具有钉扎作用，产生较好的析出强化作用，因此马氏体组织具有最佳的屈服强度及抗拉强度[10]. 相较于图2（b）和2（c），调质处理后的组织明显更加细密，较小的晶粒有利于在变形过程中减少应力集中，使得变形较为均匀，因此有较好的延伸率.

图2 三种试样的组织图. （a）下贝氏体试样；（b）下贝氏体板条；（c）粒状贝氏体试样；（d） M/A岛；（e）马氏体组织；（f）马氏体板条及板条间碳化物Fig.2 Three different microstructures: (a) low bainite; (b) low bainite lath; (c) granular bainite; (d) M/A island; (e) martensite; (f) martensite lath and interlath carbides

如表3所示，粒状贝氏体组织强度虽然较差，但是具有最佳的延伸率及断面收缩率，由图2（c）和2（d）可以发现粒状贝氏体基体中大尺寸M/A岛形状不规则且间隔较远，块状铁素体基体导致机械性能不稳定，但是其上的小尺寸M/A岛分布均匀，且形状近似球形，局部均匀的组织对于抑制连续裂纹的形成具有较大的帮助，细小分散的M/A岛可以有效抑制应变局部化[13]，从而提高均匀延伸率.

相比之下，贝氏体组织强度和塑形都低于马氏体，但是足以满足塑料模具钢的性能需求，且由于718钢可以在较宽的冷速范围内形成硬度均匀的贝氏体组织[14-15]，因此贝氏体组织是大尺寸预硬态钢最佳的使用态组织. 三种试样的残余奥氏体含量如表3所示，贝氏体组织具有较高的残余奥氏体含量，马氏体组织由于淬火时冷速较快，其残奥含量也较低.

2.2 加工硬化现象

通常使用两个参数来表征加工硬化现象，加工硬化率k和加工硬化指数n，公式如下，S为加工表面硬度，Su为初始硬度. 加工硬化指数表示材料变形时的均匀程度.

图3为不同组织分别在切削速度为125，145以及165 m·min-1的加工硬化率，可以发现随着切削速度的上升，三种试样的加工硬化率均有所下降，因为转速的增加提高了加工速率，切削速度越大，材料塑形变形速度越大，减少了第一变形区的材料厚度，工件表面发生了细晶强化现象，其屈服极限得到了提高，材料塑形变形程度随之下降. 同时，随着切削速度的增加，刀具后刀面与工件第三变形区接触时间缩短，进而弱化了刀具对材料的加工硬化的影响，多种因素结合下导致加工硬化率在一定转速范围内随着主轴转速的提高而减小[16].同时，增大转速可以使刀刃中的切屑及时排除，一定程度上减少了积屑瘤的产生，提高了刀具和材料间的配合，使得加工温度降低，有效减小加工硬化程度，同时提高表面质量[17]. 随着转速的继续上升，切削温度上升，加快了位错的增殖和迁移，导致下贝氏体和粒状贝氏体试样加工硬化率有所上升，而马氏体试样加工硬化率持续下降，因为当合金钢的形变位错密度到达极致导致位错无法增殖时，形变能量会通过转化成热量释放，较高的温度引起了加工软化现象[18]，因此马氏体组织自身较高的位错密度使得其相较于下贝氏体和粒状贝氏体更容易到达位错密度的临界值.

当三种试样处于相同转速下时，下贝氏体及粒状贝氏体试样的加工硬化率较高，这与其较高的残奥含量及较低的屈服强度有关，因为残余奥氏体的应变诱发马氏体相变是导致加工硬化的主要原因之一[10]. 下贝氏体试样的残余奥氏体含量低于粒状贝氏体试样，但是加工硬化率较高，这可能是因为组织基体中析出物的形态与数量不同所致，如图2（b）所示，下贝氏体板条上分布着大量碳化物，有相关研究表明预硬态718钢在560 ℃回火时的组织中碳化物种类主要为(Fe,Cr)3C和(Fe,Cr)23C6型，相较于图2（c）粒状贝氏体中的(Fe,Cr)3C型碳化物（粗箭头处），大尺寸碳化物被认为具有更好的阻碍位错开动与滑移的作用[19-20]，因此粒状贝氏体试样的加工硬化率低于下贝氏体试样.

2.3 切削力

为了比较切削过程中三种试样的切削力，获取稳定切削过程中力的最大值，使用如下公式计算不同转速下的总切削力，Fx、Fy、Fz分别为作用于刀具上的进给方向的力，切削面上垂直于进给方向的力以及刀具垂直于平面的轴向力.

图4为不同试样分别在转速为125，145以及165 m·min-1的总切削力，当转速由125增加至145 m·min-1时，下贝氏体试样和马氏体试样的切削力呈现出相同的上升趋势，随着转速的提高，材料加工过程中的应变及应变速率增加，切削阻力增大，因此总切削力会在一定范围内上升. 粒状贝氏体试样的切削力变化不大，因为随着切削速度提升至145 m·min-1，加工温度上升，粒状贝氏体试样发生了受热软化现象，切削力基本保持不变. 当切削速度上升至165 m·min-1，受热软化作用明显，流动应力减小，第一变形区的剪切角增大，因此切削力减小[21]，如图4可见粒状贝氏体试样的切削力下降非常明显.

表 3 三种试样的力学性能及残余奥氏体含量Table 3 Mechanical properties and retained austenite of three samples

图3 不同转速时三种试样的加工硬化率Fig.3 Work hardening ratio of three specimens at different cutting speeds

图4 不同转速时三种试样的总切削力Fig.4 Cutting forces of three specimens at different cutting speeds

通常认为材料的屈服强度越高，第一剪切区中切屑与基体不易分离，切削过程的切削力越大. 如表4所示，马氏体试样的屈服强度高于下贝氏体试样，但是下贝氏体试样的加工硬化程度较高，因此其切削力较高. 在加工过程中，热软化与加工硬化的作用孰强孰弱取决于加工参数的选择. 如图3所示，尽管粒状贝氏体试样的加工硬化率高于马氏体试样，其切削力却弱于马氏体试样，因为切削力的测量是在机加工的高温工况下进行的，而加工硬化则是在室温下的数据，这与之前的结论并不矛盾.

2.4 刀具寿命与磨损机制

图5为三种组织分别在切削速度为125，145以及165 m·min-1时的刀具后刀面磨损宽度曲线，随着切削速度的增加，刀具寿命逐渐缩短. 如下图可见，曲线有一个明显的台阶形状的变化，这表明试样在机加工过程中后刀面磨损经历的三个阶段，即初始磨损阶段、稳定磨损阶段和急剧磨损阶段.

图5 不同切削速度时三种试样的后刀面磨损宽度曲线. （a） 125 m·min-1；（b） 145 m·min-1；（c） 165 m·min-1Fig.5 Maximum flank wear of three specimens at different cutting speeds: (a) 125 m·min-1; (b) 145 m·min-1; (c) 165 m·min-1

当切削速度为125 m·min-1时，下贝氏体试样的刀具使用寿命比马氏体试样长约30%，低转速下加工温度低，此时加工软化效果不明显，马氏体组织较大的屈服强度导致其切削力较大. 当转速上升至145 m·min-1时，下贝氏体试样的刀具寿命较马氏体试样长约40%. 当转速为165 m·min-1时，发生了加工软化现象，较低的切削力导致马氏体试样的刀具寿命较长. 章顺虎[6]研究切削线速度约为75 m·min-1时贝氏体组织的刀具使用寿命比马氏体组织长约14%. 当线速度为110 m·min-1时，贝氏体组织的刀具使用寿命为马氏体组织的2倍左右[7]. 当转速更高时，Hoseiny等[2]同样发现了加工回火马氏体组织的刀具磨损量较小,寿命相较于贝氏体组织提高约40%. 结合本次实验数据，可以发现当随着切削速度的提高，马氏体组织的切削性能逐渐提升并在切削速度为145～165 m·min-1时超过贝氏体组织，综合考虑各种因素，可认为在合理加工参数范围内，下贝氏体组织具有最佳的刀具使用寿命.

图6为下贝氏体组织在切削速度为145 m·min-1时的刀具前刀面和后刀面的SEM磨损形貌，图6（c）中的区域分别为I区—刀具基体，II区—刀具涂层，III—材料黏附层，图6（a）中可以发现前刀面上存在少量的黏附层，图6（b）中观察到刀具表面的沟壑形貌以及大块的黏附物，对黏附物点A1进行EDS能谱分析，发现为Fe系氧化物. 在稳定磨损阶段，部分黏附层可以起到隔热与降低摩擦的作用，进而提高刀具的寿命，但是在急剧磨损阶段，较大的加工冲击力导致黏附层逐渐脱落，并带走薄弱涂层，这可能导致粘着磨损，从而降低了刀具寿命. 在I区刀具基体中可以发现刀具磨损区域存在一些垂直于切削刃的凹槽，这是磨粒磨损的典型特征，主要原因是由于材料中的硬质颗粒或者切屑划伤了切削刃[22].

图6（d）为图6（c）中L1线的能谱线扫描结果，在I区域和II区域的交界处，Al含量低于Ti，这表明Al2O3层在切削过程中优先形成，在Al2O3层剥离后，涂层中的TiN发挥切削作用. III区域与II区域交界处可以观察到O和Fe含量逐渐提高，因为在切削过程中Fe会在基体材料与涂层间发生扩散，并在高温下形成Fe的氧化物覆盖在刀具表面，减弱了刀具的机械强度，加快刀具磨损. 从II区可以发现较高的Al含量，Al元在切削过程中形成Al2O3化合物，具有防止氧化，提高刀具寿命的作用，而Fe的扩散行为则会使刀具容易发生扩散磨损及氧化粘着磨损[23-24].

图6 下贝氏体组织在切削一定时间后的刀具磨损状态. （a,b）前刀面磨损图；（c）后刀面磨损图；（d） L1线的能谱图Fig.6 Tool wear of low bainite specimens after cutting for a certain time: (a,b) wear of rake face; (c) wear of flank face; (d) EDS analysis in L1 line

由图4可知粒状贝氏体在切削速度为165 m·min-1时具有最小的切削力，但是相同加工时间内后刀面磨损宽度大于回火马氏体. 为了探究其原因，使用扫描电镜观察刀具显微结构. 图7为回火马氏体组织和粒状贝氏体组织在转速为165 m·min-1时的刀具后刀面磨损图，磨损宽度均在70～80 μm左右，观察可见图7（b）中III区域的氧化附着层更厚，刀具前刀面区域（红色框内）同样可以发现该现象，加工粒状贝氏体组织的刀具的I区域与II区域的涂层交界处的平整度不如下贝氏体组织的刀具，因为材料与刀具的黏附作用会加重刀具涂层的剥离，不规则的黏附层使涂层变得坑洼. 通常加工硬化程度越高，切削温度会越高，材料与刀具之间的结合力越大，但是切削过程中粒状贝氏体组织受热软化严重，因此尽管在该转速下其加工硬化率低，仍具有较厚的氧化黏附层，这也解释了在该转速下其切削力较低但是刀具寿命较短. 使用体积分数为50%的浓盐酸溶液长时间浸泡刀具以去除表面的材料，使用能谱进行面扫描，图8为实验结果，W元素来自刀具，Fe元素则来自试样，可以发现加工粒状贝氏体组织的刀具上黏附材料最多，而加工下贝氏体组织的刀具上黏附材料最少.

2.5 表面粗糙度

图7 不同试样在转速为165 m·min-1时的刀具后刀面磨损图. （a）回火马氏体；（b）粒状贝氏体Fig.7 Flank wear of different samples in cutting speed of 165 m·min-1:(a) tempered martensite; (b) grain bainite

图9为三种组织在切削速度为145 m·min-1时加工20 min后的表面形貌，图9（d）为粒状贝氏体试样的3D形貌，可以观察到波峰波谷随着铣削纹路不断扩展，图中红色处是由于切削过程形成的边缘堆积现象所致. 图9（b）中可以明显看到加工表面由于刀具黏附或者磨损而产生了背脊纹路[25].回火马氏体试样、粒状贝氏体试样以及下贝氏体试样的表面粗糙度Ra分别为0.545、1.763和1.041 μm，马氏体组织具有最佳的表面粗糙度.

在切削速度为145 m·min-1时，尽管粒状贝氏体试样的切削力低于回火马氏体试样，同时刀具寿命长约15%，但是较厚的刀具黏着层对表面质量产生了较大的影响，粒状贝氏体试样粗糙度约为马氏体试样的三倍，综合考虑之下认为回火马氏体组织的切削性能优于粒状贝氏体.

3 结论

图8 三种试样在转速为145 m·min-1下切削20 min后的刀具后刀面EDS元素分布图. （a）回火马氏体；（b）粒状贝氏体；（c）下贝氏体Fig.8 EDS element mapping of cutting tool uesd for milling of three specimens for 20 min at the cutting speed of 145 m·min-1: (a) tempered martensite;(b) grain bainite; (c) low bainite

图9 三种试样切削20 min后表面宏观形貌. （a）回火马氏体；（b）粒状贝氏体；（c）下贝氏体；（d）粒状贝氏体3D形貌Fig.9 Milling surface of three specimens for 20 min at the cutting speed of 145 m·min-1: (a) tempered martensite; (b) grain bainite; (c) low bainite;(d) 3D morphology of grain bainite

（1）当切削速度低于145 m·min-1时，贝氏体组织类型比回火马氏体组织更易切削，切削贝氏体组织比切削回火马氏体组织的刀具使用寿命高30%～40%. 当切削速度高于165 m·min-1时，回火马氏体组织比贝氏体组织更易切削.

（2）马氏体组织具有最佳的切削表面粗糙度.粒状贝氏体组织切削加工表面由于严重的刀具黏附现象而出现背脊纹路，影响了粗糙度.

（3）综合考虑之下，三种组织的综合切削性能从高到低排序为：下贝氏体组织、马氏体组织、粒状贝氏体组织. 采用300 ℃等温淬火工艺可以有效提升718塑料模具钢的综合切削性能.