718预硬化塑料模具钢大型模块的组织和硬度分析

第35卷第8期2010年

月

HEAT TREAT M ENT OF METALS

V o l 35N o 8

A ugust 2010

718预硬化塑料模具钢大型模块的组织和硬度分析

王勇围1

,郭强2

,康爱军2

,顾容2

,董瀚1

,马党参1

,陈再枝

(1.钢铁研究总院结构材料所,北京 100081;2.抚顺特殊钢股份有限公司,辽宁抚顺 113001)

摘要:对810mm 厚的718预硬化塑料模具钢大模块进行解剖,测定了模块的硬度分布,并对不同部位的组织进行了金相和透射电镜观察。结果表明,整个模块硬度差 3.2HRC ,大模块组织由回火马氏体和回火贝氏体组成,且成分较均匀,夹杂物含量少,能满足大尺寸塑料制品行业的使用要求。

关键词:718钢大模块;硬度;回火贝氏体;夹杂物

中图分类号:TG142.45 文献标志码:A 文章编号:0254 6051(2010)08 0088 03

M icrostructure and hardness of 718prehardened pl astic m oul d steel l arge bl ock

WANG Y ong w e i 1,GUO Q i ang 2,KANG A i jun 2,GU R ong 2,DONG H an 1,M A D ang shen 1,C H E N Z ai zh i 1(1.Institute fo r Struct ura lM a teria l s ,C entra l Iron and S tee l R esearch Institute ,Be ijing 100081,Ch i na ;

2.Fushun Spec ial Steel Shares Co .,LTD.,Fushun L i aoning 113001,Ch i na)

Abstrac t :The 718prehardened p l astic m ou l d stee l large b l ock w it h t h ickness of 810mm w as dissected ,and the hardness and m i crostructure over the secti on were tested and observed .T he results show t hat t he hardness fl uctuati on i n the who l e block is no mo re than 3.2HRC,and the m i crostructure i s com posed of te m pe red ma rtensite and ba i n ite w it h s m all amount o f i nc l usi ons .It is shown t hat t he 718prehardened stee l larg e m oul d block can m eet t he app licati on require m en t of large scale plastic produces i ndustry .K ey word s :718stee l large m ould b l ock ;ha rdness ;te m pered ba i nite ;i nclus i ons

收稿日期:2010 02 10

基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAE51B04)

作者简介:王勇围(1976 ),男,江苏宜兴人,博士后,主要从事工模具钢材料的研究,已发表论文8篇。联系电话:010 ********,158********,E m a i :l w angyw03@m ails .ts i nghua .edu .cn

近年来,我国模具工业发展迅速,产量已跃居世界

前列[1]

。其中占主体的是塑料成型模具,用量较大的塑料模具钢主要有P20和718等预硬化钢,适宜于制作大中型、精密的塑料模具。东北特殊钢集团抚顺特殊钢股份有限公司是国内大型预硬化塑料模具钢的主要生产厂家之一,为满足家电业模具朝大尺寸方向的发展,抚钢将塑料模具钢718模块厚度增大至810mm 。保证大模块硬度均匀性是关键技术难点,抚钢将先进的水冷复合淬火方式用于810mm 厚的塑料模具钢718模块的预硬化生产,本文将重点研究所生产的预硬化718钢大模块的硬度分布与不同位置的微观组织。

1 试验材料与方案

用电炉熔炼母材,经VD 炉精炼,浇铸成28t 钢

锭,充分锻造后,718钢成形模块尺寸为:810mm !1320mm !2540mm 。预硬化工艺:加热至920?奥氏体化,进行水冷复合淬火冷却,再经600?回火处理。

将预硬化后的718钢大模块用带锯进行切割解剖,如图1所示(单位:mm ),得到距头部500mm 处横截面(图中阴影面)以及模块中心处横向试片一块,在横向试片和图中头端阴影面上沿对角线进行布氏硬度(载荷3000kg)测定,然后换算成HRC 。如图2所示,在横向试片的对角线边部(A)、1/8处(B)、1/4处(C )及心部(D )取样进行金相和透射电镜(H 800型)观察。并对横向试片的边部、1/4处、心部作了化学成分分析,同时参照GB /T 10561 2005#钢中非金属夹杂物含量的测定?作了夹杂物评级。

2 试验结果与分析

2.1 大模块成分分布

横向试片的边部、1/4处、心部的化学成分(质量分数,%)见表1,可看出,合金元素含量最高值位于试片的1/4处,成分总体分布较均匀。

表1 718钢大模块不同部位的化学成分(质量分数,%)Tab le 1 Ch e m ical co mposition of 718stee l large m ou l d

b lock i n d ifferen t positions (w t %)

取样位置

C Cr M n S i N i M o S P A 0.391.841.270.370.850.300.00590.017C 0.411.861.300.390.870.310.00710.021D

0.42

1.84

1.27

0.38

0.85

0.30

0.010

0.018

第8期王勇围,等:718预硬化塑料模具钢大型模块的组织和硬度分析89

图1 718钢大模块解剖示意图

F i g.1 D issection d i agra m o f718steel l a rge mou l d b l o

图2 组织观察试样在横向试片上的取样位置

F i g.2 Sa m pli ng positions for m icrostruct ure observa ti on

on t he transversa l p i ece

铸锭凝固时,表面由于迅速降温,首先形成细晶区,往里沿着温度梯度形成柱状晶区,最后由于整体温度下降,在自由能的驱动下心部区域均匀形核形成等轴晶[2]。根据凝固理论,首先凝固的是熔点较高的金属,该处合金元素含量一般较低,据此,柱状晶在向铸锭内部延伸的同时将合金元素不断推向前沿,直至等轴晶形核长大,因此合金元素在柱状晶的末端,即与等轴晶的交界处富集程度最大,这就可以解释表1中M n、N i等合金元素在1/4处呈现最高值。

2.2 硬度分布与微观组织

718钢大模块横截面的对角线硬度分布如图3所示,可看出,从边部至心部硬度值大小呈随机无规律性分布,横向试片和头端阴影面HRC范围:33.6~ 35.8HRC和33.4~36.6HRC,硬度差 3.2HRC。

横向试片上不同取样位置的组织如图4所示,可看出,A处组织由细小回火马氏体组成,预硬化后马氏体的原始针状仍然保留,铁素体基体未发生再结晶。B处组织由回火马氏体和少量回火贝氏体组成,且回火马氏体的针状比边部的粗大些,这是由于边部本来就由细晶组成,钢锭开坯锻造时表层的组织变形量最大,通过再结晶进一步细化了奥氏体晶粒。C处与D 处组织均由回火贝氏体组成,

未发现珠光体组织。

图3 718大模块截面硬度分布

F ig.3 H ardness d i str i bu tion i n cross sec ti on

of718stee l larg e m oul d block

进一步对边部和心部的碳化物分布做了透射电镜观察,如图5所示,可见,边部的碳化物主要在板条间析出,心部回火贝氏体的碳化物分布在宽大的铁素体基体上。

要使大模块整体达到硬度均匀,就需要使工件在相对短的时间内先冷却到珠光体转变温度以下马氏体转变温度以上的温度区间内,然后以较慢的冷却速度进入贝氏体转变区,以便工件得到充分的时间进行贝氏体组织转变。传统的水淬油冷工艺正是基于这种考虑,但是这种处理工艺操作复杂,设备维护不便,生产效率低下,且对环境污染严重。水冷复合淬火方式是近年来发展迅速的新型淬火冷却工艺[3-4],淬火介质完全用水,淬透能力高,且解决了环境污染问题。水冷复合淬火总的原则是:首先利用风冷对大模块进行预冷,然后喷水冷却使表面快速降低到M s点以下,这样可以获得最快冷却速度。然后利用风冷和雾冷慢速冷却,当表面温度回升至500?左右时,表面已经形成的马氏体得到自回火。重复这个过程,直至心部冷却到贝氏体点以下。根据718钢的CCT曲线[5],淬火马氏体比贝氏体的硬度高100HV以上,但经600?高温回火,两者的硬度就趋于一致,相组成上都是粒状碳化

第35卷

物分布于铁素体基体,图5的透射照片就能证明,两者主要区别是铁素体基体的宽窄,这可能对组织的韧性影响较大,而非硬度

[6]

。市场上瑞典壹胜百进口料

718H 钢(厚度500mm )公布的硬度范围一般为36~40HRC ,硬度差 4HRC ,因此本文研发的如此大型的718

钢模块就硬度均匀性而言已达到了国际水平。

图4 718钢大模块纵向金相组织

(a)A 处;(b)B 处;(c)C 处;(d)D 处

F ig .4 Long it udi na lm eta llurg ica l structure of 718stee l larg e m oul d block

(a)positi on A;(b)position B;(c)pos iti on C ;(d)pos iti on

图5 718钢大模块TE M 观察

(a)A 处明场;(b)A 处暗场;(c)D 处明场

F i g .5 TE M m i c rographs of 718stee l l arge mould b l ock

(a)bri gh t fi el d i m age i n pos i ti on A;(b)dark fi el d i m age i n pos i ti on A;(c)b ri gh t fiel d i m age in pos i ti on D

2.3 夹杂物分布

对718钢横向试片的夹杂物种类和分布如表2所示,主要是A 类和D 类,且分布较少,这对抛光后的表面光洁度有利,未发现链状的B 类夹杂。

表2 718钢大模块横向试片夹杂物等级T ab le 2 Inc l u si on grade i n th e tran sversa l test piece

of 718steel large m ou l d b lock

取样位置

A 类

D 类

粗系

细系粗系细系A 00.501.0C 1.01.00.50.5D

1.0

3 结论

1)810mm 厚718塑料模具钢大模块边部、1/4处、心部的成分均匀,宏观偏析程度小。

2)水冷复合淬火工艺能将810mm 厚718大模块

心部淬成贝氏体,预硬化后大模块硬度差 3.2HRC ,硬度均匀性程度高。

3)718预硬化大模块边部组织为回火马氏体,1/4处和心部组织均为回火贝氏体,组织均匀,且夹杂物含量少,能满足大尺寸塑料制品行业的使用要求。

参考文献:

[1]马党参,陈再枝,刘建华,等.国内模具钢的市场前景及生产现状

[J ].宽厚板,2004,10(1):1 6.

[2]崔忠圻.金属学与热处理[M ].北京:机械工业出版社,1989.[3]徐骏,张伟民,陈乃录,等.塑料模具钢大模块的水冷复合间隙淬

火技术[J].金属热处理,2006,31(10):76 78.

[4]宋冬利,顾剑锋,胡明娟,等.基于数值模拟的718塑料模具钢大模

块淬火新工艺设计[J].钢铁,2004,39(9):64 68.

[5]陈再枝,蓝得年.模具钢手册[M ].北京:冶金工业出版社,2002.[6]刘东雨,徐鸿,杨昆,等.贝氏体/马氏体复相组织对低碳合金

钢强韧性的影响[J].金属学报,2004,40(8):882 886.