閆志波，賀會(huì)敏，王向明

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，石家莊 050081)

0 引 言

美國(guó)在20世紀(jì)70年代推出的P20通用型塑料模具鋼，經(jīng)過多年發(fā)展推廣雖然已得到廣泛應(yīng)用，但不能保證大截面塑料模具的整體淬透性要求。相關(guān)研究[1]表明，P20塑料模具鋼只能保證厚度不大于350 mm的模塊或扁鋼淬透。718預(yù)硬化塑料模具鋼通過添加鎳元素來提高淬透性，可以彌補(bǔ)P20模具鋼在大截面模具淬透性方面的不足[2]，是在P20鋼的基礎(chǔ)上改進(jìn)后的一種模具鋼。該類模具鋼直接在冶金廠完成鋼材的調(diào)質(zhì)處理，適用于制作大型、精密、復(fù)雜及鏡面拋光的塑料模具[3]，已成為大型塑料模具的優(yōu)選材料[4]。與P20鋼相比，預(yù)硬化型塑料模具鋼可以有效避免模具淬火產(chǎn)生的變形開裂，保證尺寸精度，并能縮短制模周期，降低生產(chǎn)成本[5]。

通常718塑料模具鋼預(yù)硬化至28～35 HRC時(shí)由用戶直接切削加工成型[6]。某廠生產(chǎn)的718預(yù)硬型塑料模具鋼調(diào)質(zhì)態(tài)的化學(xué)成分如表1所示，尺寸為3 800 mm×1 450 mm×650 mm,主要工藝流程為轉(zhuǎn)爐(BOF)→鋼包精煉(LF)→真空脫氣(VD)→下注模鑄→緩冷→熱鍛→調(diào)質(zhì)，其中調(diào)質(zhì)工藝為860 ℃×9 h水空交替淬火+540 ℃×4 h回火。模塊截面厚度為800 mm，質(zhì)量為32 t。該模具鋼在用戶使用過程中出現(xiàn)鋸切表面不平問題，嚴(yán)重影響了其使用。為了找到表面不平的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

采用ARL4460型光電直讀光譜儀測(cè)試調(diào)質(zhì)態(tài)718預(yù)硬型塑料模具鋼的化學(xué)成分。由表1可以看出，模具鋼中含有一定的鉻、鉬元素，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 718預(yù)硬型塑料模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 718 pre-hardened plasticmould steel (mass) %

1.2 微觀形貌

采用ZEISS Stemi2000-C型體視顯微鏡觀察鋸切表面形貌。由圖1可以看出，鋸切表面存在大量凸起。

采用ZEISS LSM700型激光共聚焦顯微鏡觀察鋸切表面的3D形貌，測(cè)定凸起高度。由圖2可以看出，鋸切表面凸起部位較其余位置高出0.5 mm左右。

圖2 激光共聚焦顯微鏡下718預(yù)硬型塑料模具鋼鋸切后的表面形貌Fig.2 Surface morphology of the 718 pre-harden plastic mould steel after saw cutting under laser confocal microscope

1.3 顯微組織

圖3 718預(yù)硬型塑料模具鋼鋸切面凸起處的剖面顯微組織Fig.3 Profile microstructure of bulge position on saw cutted surface of 718 pre-hardened plastic mould steel: (a) low magnification; (b) enlargement of bulge position and (c) enlargement of substrate

采用線切割機(jī)垂直于鋸切面將模具鋼剖開，截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在AXio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡和ZEISS ULTRA 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察顯微組織。由圖3可以看出，凸起位置的組織不均勻，為亮白色物質(zhì)上不均勻分布著黑色針狀物質(zhì)，而基體組織為均勻的回火組織。

由圖4可以看出，基體組織均勻，基體上分布有大量較粗大的碳化物，貝氏體或馬氏體板條特征不明顯。718塑料模具鋼由于含有一定量的錳、鉻、鎳和鉬元素，具有優(yōu)異的淬透性[7]。在淬火過程中，其表面往往形成馬氏體組織，內(nèi)部則容易形成貝氏體組織[8]，在隨后的高溫(500650 ℃)回火中馬氏體析出均勻細(xì)小的碳化物[9]。但是，試驗(yàn)鋼中卻形成了粗大碳化物，因此，基體組織為回火后的貝氏體組織，且由于粗大碳化物多為顆粒狀，沿相同方向排列的片層狀較少，因此，貝氏體主要為粒狀貝氏體。

圖4 718預(yù)硬型塑料模具鋼基體的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of substrate of 718 pre-hardened plastic mould steel: (a) low magnification and (b) high magnification

光學(xué)顯微鏡下的襯度一般與掃描電鏡下的相反，即光學(xué)顯微鏡下的黑色在掃描電鏡下的顏色較淺，亮白色在掃描電鏡下的顏色較深。由圖5可以看出：淺色組織中存在沿同一方向分布的片層狀碳化物，分布密度高于基體的，且碳化物方向與板條方向的夾角約60°，可以判斷淺色組織為下貝氏體；深色組織與淺色組織相比，碳化物的析出量較少，尺寸較小，沿三個(gè)方向分布，密度也高于基體的，為典型的回火馬氏體中析出的碳化物。因此，判斷深色組織為回火馬氏體。

圖5 718預(yù)硬型塑料模具鋼鋸切面凸起位置的剖面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of profile of bulge position on saw cutted surface of 718 pre-hardened plastic mould steel: (a) low magnification; (b) lower bainite; (c) tempered martensite and (d) precipitates in tempered martensite

1.4 硬 度

采用Wilson Tukon 2500型維氏硬度計(jì)測(cè)試模具鋼的表面硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為10 s?；w硬度為313 HV(31.4 HRC)左右，而凸起位置的硬度最高為552 HV(52.5 HRC)。

1.5 微區(qū)成分分析

凸起位置的硬度較高表明該處的回火過程較慢，具有較高的抗回火性。凸起位置和基體經(jīng)歷了相同的熱處理過程，因此造成二者的組織和硬度不同的原因可能是二者的成分存在差異。采用SHIMADZU EPMA-1720型電子探針儀對(duì)凸起位置的化學(xué)成分進(jìn)行分析，掃描位置為硬度測(cè)試點(diǎn)附近。由圖6可以看出，錳元素在凸起位置發(fā)生了富集。這是由于718模具鋼鑄錠在凝固過程中發(fā)生了較嚴(yán)重的偏析，而且這種偏析在后續(xù)的鍛造和熱處理過程中沒有得到消除[3]。

圖6 凸起位置的錳元素面掃描位置和結(jié)果Fig.6 Mn elemental mapping position (a) and results (b) of bulge position

由圖7可以看出，鉻、錳、鉬元素在凸起位置的相同區(qū)域發(fā)生了富集，富集處的含量分別為4.6%，2.3%，0.91%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其中鉻和鉬元素的含量波動(dòng)較大，其原因可能是局部存在鉻和鉬的碳化物，從而使二者的含量在某些位置達(dá)到峰值。與其他元素相比，鎳元素的含量沒有發(fā)生明顯的變化。

2 鋸切表面不平原因分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：718塑料模具鋼基體組織均勻，為分布有粗大顆粒狀碳化物的粒狀貝氏體組織，回火后的硬度達(dá)31.4 HRC；鋸切表面凸起位置組織不均勻，出現(xiàn)了通常在較低溫度、較快冷速下生成的下貝氏體和馬氏體組織，且下貝氏體和馬氏體上均分布有碳化物，碳化物密度顯著高于粒狀貝氏體的；凸起位置硬度較高，達(dá)52.5 HRC，局部區(qū)域存在嚴(yán)重的鉻、錳和鉬元素偏析。

鉻、錳和鉬元素的偏析提高了偏析處奧氏體的淬透性和淬硬性[10]，從而在冷速較低的凸起位置形成了硬度顯著高于周圍基體組織的下貝氏體和馬氏體組織[11]；鉻和鉬元素為強(qiáng)碳化物形成元素，其偏析能夠增強(qiáng)馬氏體的回火抗力，減少馬氏體回火過程中的硬度下降速率[12]。凸起位置的硬度較高也說明此處具有較高的抗回火性。GRANGE等[13]的研究也表明，鉻、錳和鉬元素的富集能夠顯著降低馬氏體回火后的硬度下降速率。此外，在鉻、鉬含量較高的鋼中，淬火馬氏體在高溫回火過程中由于合金碳化物的析出能夠進(jìn)一步減緩馬氏體硬度的下降，甚至產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象[14]，因此偏析部位很有可能出現(xiàn)了二次硬化現(xiàn)象，進(jìn)一步增大了偏析部位和基體組織的硬度差，使得凸起位置的硬度顯著高于基體的，二者差值達(dá)20 HRC。由于硬度的不均勻性，在使用剛度不高的切削加工方式，如帶鋸鋸切時(shí)容易出現(xiàn)表面不平問題。

3 結(jié)論及措施

(1) 鉻、錳以及鉬元素的偏析是造成718塑料模具鋼鋸切表面不平的根本原因。元素偏析使得模具鋼中形成由回火馬氏體和回火下貝氏體組成的硬相組織，該組織的硬度顯著高于基體組織回火粒狀貝氏體的；硬度的不均勻性導(dǎo)致在切削過程中產(chǎn)生鋸切表面不平問題。

(2) 建議鋼液凝固時(shí)采取增大冷卻強(qiáng)度以減輕元素偏析程度；當(dāng)尺寸較大，難以采用傳統(tǒng)鍛造熱變形方式改善微觀偏析時(shí)，可以通過增加均質(zhì)化熱處理工藝來降低微觀偏析的影響。