模具钢热处理十种组织缺陷分析及对策.

模具钢热处理十种组织缺陷分析及对策王荣滨(南弯工具厂江西330004摘要讨论了模具钢十种热处理组织缺陷及消除方法,可产生明显经济效益和社会效益。

关键词模具钢组织缺陷对策Abstract This paper analyzes ten kinds of microstruture defect of heat treatment moldsteel,and it also gives the relative solutions to avoid defects,which can obviously bringabout the economic benefit.K eyw ords mold steel microstructure defect countermeasures钢的物理性能、化学性能和力学性能决定钢的热处理组织,正常组织赋予钢产品优异性能和高寿命;热处理组织缺陷恶化钢的性能,降低模具产品质量和使用寿命,甚至产生废品和发生事故。

因种种原因,钢热处理主要有十种组织缺陷,分析原因,采取对策,提高模具使用寿命,有显著技术经济效益。

1奥氏体晶粒粗大钢奥氏体晶粒定为13级,1级最粗,13级最细。

1~3级为粗晶粒,4~6级为中等晶粒,7~9级为细晶粒,10~13级为超细晶粒。

晶粒愈细,钢的强韧性愈佳,淬火易得到隐晶马氏体;晶粒愈粗,钢的强韧性愈差,淬火易得到脆性大的粗马氏体。

实践证明,奥氏体形成后,随着温度升高和长时间保温,奥氏体晶粒急剧长大。

当加热温度一定时,快速加热奥氏体晶粒细小;慢速加热,奥氏体晶粒粗大。

奥氏体晶粒随钢中W、Mo、V元素增加而细化,随钢中C、Mn元素增加而增大。

钢最终淬火前未经预处理,奥氏体晶粒愈粗化,淬火得粗马氏体,强韧性低,脆性大。

仪表跑温,晶粒粗化,降低晶粒之间结合力,恶化力学性能。

对策—合理选择加热温度和保温时间。

加热温度过低,起始晶粒大,相转变缓慢;加热温度过高,起始晶粒细,长大倾向大,得到粗大奥氏体晶粒。

加热温度应按钢的临界温度确定,严格仪表精密控温,保温时间按加热设备确定。

合理选择加热速度,根据过热度对奥氏体形核率和长大速率影响规律,采用快速加热和瞬时加热方法细化奥氏体晶粒,如铅浴加热、盐浴加热、高频加热、循环加热、真空加热和激光加热等。

最终淬火前预处理细化奥氏体晶粒,如正火、退火、调质处理等。

选用细晶粒钢、电渣重熔钢、真空精炼钢制造模具等措施。

2残余奥氏体过量钢件淬火冷却时过冷奥氏体转变成淬火马氏体,过冷奥氏体不能100%转变为淬火马氏体,未完全转变的过冷奥氏体为残余奥氏体。

淬火马氏体经不同温度回火后转变为不同回火组织,达到所需组织性能。

残余奥氏体在回火过程中可部分转变为马氏体,但因材料和工艺不同,残余奥氏体可多可少保留在使用状态中。

保留少量残余奥氏体有利增加钢的强韧性、松驰残余应力、延缓裂纹扩展、减少变形等。

但残余奥氏体过量将降低钢的硬度、耐磨性、疲劳强度、屈服强度、弹性极限和引起组织不稳定,导致服役时发生尺寸变化等不利因素。

因此,钢中残余奥氏体不宜过量。

对策—按照模具服役条件,合理选择淬火加热温度,因模具钢含有大量降低马氏体点(Ms的合金元素,过高淬火加热温度会使钢中碳和合金元素大量溶入高温奥氏体中,奥氏体合金化程度高,增加奥氏体稳定性,使过冷奥氏体不易发生马氏体相变,有较多残余奥氏体保留在淬火组织中,因此,淬火加热温度应适中。

分级淬火和等温淬火保留较多残余奥氏体,因此,采用中温预回火和多次高温回火,促使在高温回火冷却过程中残余奥氏体发生马氏体转变。

其次,淬火后经短时低温回火后进行-60℃~120℃零下冷处理,实质是淬火的继续,促使残余奥氏体较充分转变为马氏体,温度越低,转变量愈多。

依据产品结构和模具特点采取不同方式按需控制残余奥氏体量,获得满意组织性能。

3魏氏组织多发生含碳量≤0.6%的亚共析钢,当钢锭从1000~1200℃高温奥氏体状态经长时间保温和缓慢冷却扩散退火时,游离铁素体从奥氏体晶界及沿解理面以微细格子状或块状析出,形成具有一定位向的片状组织,晶粒粗大,即是魏氏组织。

魏氏组织存在钢中力学性能低劣,脆性转变温度升高。

在钢的临界区形变后再结晶热处理,也会形成晶粒粗大的魏氏组织。

先共析铁素体呈网状分布于晶界,呈块状分布于晶内或呈针状沿奥氏体一定晶面分布也是魏氏组织,常规热处理无法消除,它是典型的过热组织,保留在使用状态中易发生突发事故,必须采取对策消除。

对策—对钢材进行改锻,经3~4次双十字形镦拔可击碎网状、块状、针状铁素体,使之细化并均匀分布和充分溶解于高温奥氏体中,得到在A1相变点处奥氏体微细化结构。

锻热固溶调质预处理能显著改善材料显微组织结构,再经正常热处理达到组织性能技术条件。

轻微魏氏组织可采用完全退火或正火加以消除。

严格原材料入库检查,有魏氏组织钢材不投产。

在保护气氛炉中加热,避免热处理时严重氧化脱碳和在临界区形变。

提高钢材纯洁度,选用二次精炼钢等措施。

4碳化物不均匀度大碳化物硬而脆,是脆性相,它的大小、形状和分布直接影响钢的性能,对模具性能影响特大。

碳化物不均匀分布,增加钢的过热敏感性。

因碳和合金元素富集,降低碳化物堆集处熔点,造成碳化物堆集处过热、过烧、晶粒粗大和导致淬火组织粗化引起应力集中,成为裂纹源,导致淬裂。

碳化物不均匀分布,引起淬火晶粒粗细大小不均,因碳化物聚集处有大量未溶解碳化物阻碍奥氏体晶粒长大,则晶粒细;非碳化物堆集处未溶解碳化物数量少,则无法阻碍奥氏体晶粒长大,此处晶粒粗大。

碳化物不均匀分布对基体起切割作用,破坏了金属基体连续性,使钢的力学性能有明显各向异性。

在碳化物堆集处周围的奥氏体淬火加热时溶解较多的碳化物和合金元素,使该处马氏体转变开始点(Ms 降低,为此,增加残余奥氏体量并易发生稳定化作用,不易通过回火使残余奥氏体转变为马氏体,造成回火不足。

而碳化物堆集处附近晶粒粗大,降低机械强度,导致该处理组织应力增大,易使堆集处碳化物剥落,造成模具早期失效。

对策—采用扩散退火、高温正火和锻热调质固溶预处理,使碳化物溶解于奥氏体中,达到再处理时重新呈细小、弥散析出而细化。

对具有难溶解块状、大颗粒状、带状、网状和堆集状级别大的碳化物原材料进行改锻,击碎和细化碳化物,经四镦四拔双十字形镦拔锻造,使合金碳化物形貌发生质的飞跃,使之≤3级,呈细、小、匀分布于钢基体并形成沿模具轮廓合理的纤维组织排列,改善显微组织,细化晶粒,增加整体性能,尤其是心部横向性能、刚性,降低过热敏感性,大幅度提高模具使用寿命。

5孪晶碳化物析出钢中碳化物的特点是呈平行直线状析出,导致相同产品、相同工艺条件下出现不同组织、硬度、性能且高低不一,相差悬殊。

多发生在4Cr13等马氏体不锈钢中,因钢件超温加热,钢中碳化物完全溶入奥氏体,导致奥氏体稳定化,在随后退火加热过程中,碳化物由奥氏体在孪晶界面沉淀,形成与孪晶界面完全相同稳定的碳化物骨架,沿着奥氏体退火孪晶共格或非共格界面析出平行直线状孪晶碳化物,孪晶碳化物相当稳定,最终淬火加热时不能溶入奥氏体,保留在成品使用状态中,造成力学性能低劣。

过高的锻造加热温度是导致马氏体不锈钢孪晶碳化物析出的根本原因。

表1是孪晶碳化物对淬火、回火4Cr13马氏体不锈钢物理、化学性能影响。

表13孪晶碳化物对淬火、回火4Cr13马氏体不锈钢物理、化学性能影响孪晶碳化物形态性能σbb (MPa f (mm αk (J /cm 2腐蚀速度g/m 2・h 外观腐蚀程度接触疲劳(N ×10-6磨损(×10-3mm 3无孪晶碳化物2862~2874312~31896~10101002无腐蚀1319~14121413~1512较小孪晶碳化物2549~2561211~21458~7201015少量腐蚀点718~8131615~1713粗大孪晶碳化物2015~2024019~11313~1701021大量腐蚀点416~5121718~18153三组性能试样平均值对策—锻造加热时精密控温,采用下限加热温度与停锻温度和较大锻造变形量。

实验表明,在下限温度始锻和停锻能使4Cr13等马氏体不锈钢奥氏体晶粒细化至10~11级,击碎孪晶碳化物至≤3级,呈细小均匀弥散于钢基体,在后续退火过程中聚集成球状。

宜采用多次高温退火,因孪晶碳化物非常稳定,常规退火、淬火无法消除,为此,将钢件加热至1000~1100℃,充分保温后以30~40℃/h 缓冷至≤500℃,使孪晶碳化物破碎,聚集成球状,性能可达到无孪晶碳化物水准。

也可将有孪晶碳化物锻件置于-190℃液氮处理2h ,消除原来共格和非共格孪晶界面,然后再进行正常退火,可完全消除孪晶碳化物。

6混晶钢在热处理过程中形成晶粒大小不均匀的组织,个别特大的晶粒和特小的晶粒及中等晶粒群组成,在体积中杂乱分布,形成混晶。

试验表明,混晶与均匀晶粒比,持久强度降低10%~15%、抗弯强度σbb降低15%~20%、延伸率δs降低15%~25%、冲击韧性αk降低10%~15%。

力学性能大幅度降低,严重降低使用寿命,甚至出现突发事故。

混晶在不锈钢中存在于选择固溶处理温度不当。

如1Cr18Ni9Ti钢固溶加热温度≤1000℃可获得均匀细小晶粒,随着温度升高和保温时间延长,混晶度增加,加热至1050℃混晶度达到峰值。

晶粒长大过程与钢中强化相溶解有关,钢中Cr23C6强化相加热至850℃固溶,起不到阻碍晶粒长大作用。

TiN、CrN、TiC强化相需加热至1150℃~1200℃才固溶,在加热至≤1150℃时均起到阻碍晶粒长大作用。

不绣钢在临界区形变易形成混晶,中等速度固溶加热较易产生混晶。

对策—不同牌号不锈钢有一最佳固溶处理温度和快速加热或慢速加热可避免混晶,避开混晶严重固溶处理温度;选用真空电炉、保护气氛电炉等固溶加热设备或采用高频、激光快速加热和固溶处理前的预形变应大于临界变形等措施,能有效避免混晶组织产生,获得均匀细小晶粒,提高材料物理、化学与力学性能,有效防止晶间腐蚀、应力腐蚀和低温、高温脆性发生,提高使用寿命。

7非正常珠光体机械冷切削加工钢材的正常组织为粒状或球状珠光体,它有良好切削加工性能。

但有时发现材料难加工,刀具易崩刃和热处理易过热,易畸变及力学性能低劣等问题。

这主要与珠光体形态有关—非正常珠光体。

过冷奥氏体在连续冷却时,在较高温度下易形成粗片状珠光体,在较低温度下易形成细粒状珠光体,粗细不均匀珠光体导致机械性能不均匀,硬度偏高或超高,切削加工性能恶化,难加工。

共析转变形成的珠光体是铁素体与渗碳体机械混合物,当珠光体中的渗碳体是片状分布时,硬度较高220~300HB,即片状珠光体难加工、易过热和畸变。

当珠光体中渗碳体是球状分布时,硬度较低≤200HB,冷切削加工性能优良,热处理时不易过热和畸变,是理想的最终淬火预处理组织,为正常的珠光体组织。