模具钢的金相组织及检验 一、冷作模具钢 用做冷作模具的材料,要求高硬度、高强度和良好的耐磨性、韧性。钢的显微组织特点是:热处理后要有一定量的剩余碳化物,碳化物分布均匀、形态圆整、细小;马氏体均匀细致;奥氏体晶粒均匀细小。细小马氏体能抑制微裂纹形成。增加板条马氏体可提高强韧性。共晶碳化物形态要圆整、粒度要细小。除碳素工具钢、低合金工模具钢、莱氏体钢外,基体钢已被广泛使用。基体钢是在高速钢淬火基体成分基础上,添加碳和其他合金元素改性,除了能保证获得5%(体积分数)的碳化物外,并有强韧兼备的性能,且能兼作冷模钢和热模钢。 (一)莱氏体钢 以Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo、Cr12Mo1V1、Cr12 W等钢种为代表。高碳高铬加钼、钒以细化组织。 LD(7Cr7Mo3 V2Si)和GM(9Cr6W3Mo2V2)钢称为半高铬钢,特点是韧性较高,耐磨性好、淬透性高。含碳量降低使碳化物均匀程度大大改善,但退火及调质工艺较为复杂。退火工艺为860℃ 2~3 h,740℃ 5~6 h缓冷,500℃出炉。最终热处理,LD加热温度为1100~1150℃分级淬火,550~600℃三次回火。GM加热温度1100-1160℃分级淬火,520-560℃三次回火。 Cr12型钢的淬火组织中有共晶碳化物、颗粒状及点状残留碳化物、淬火马氏体及残留奥氏体,由于马氏体很细,在显微镜下看不到马氏体针叶,仅可观察到明显的奥氏体晶界,基体呈白色。如果采用热油或硝盐冷却时,侵蚀后基体呈黄褐色,晶界不易显示。这是由于马氏体在热油或硝盐冷却过程中稍受回火所造成。随着淬火温度提高,晶粒度逐渐长大,颗粒状碳化物逐渐溶解,残留奥氏体数量随之增加。如果温度过高,会引起晶粒粗大,晶粒边界熔化,冷却后得到网状碳化物及黑色组织组成的过烧组织。 Cr12型钢淬回火后金相组织检验可参阅GB/T7713-1995《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》。 Cr12钢常规980℃加热淬火后,共晶碳化物块度大而且多呈角状,细粒状残余碳化物颗粒较粗,数量也较多,隐针马氏体和残留奥氏体分辨不清(图6-5),回火后基体变黑,晶界区变白,有类似黑白区的组织出现(图6-6)。而经1080℃加热淬火后的组织,共晶碳化物尖角变钝,粒状碳化物减少(图6-7)。经1100℃加热淬火的组织,共晶碳化物尖角变圆秃,有大片白色残余奥氏体,其中分布着颗粒状剩余碳化物,黑色的淬火马氏体区也有残余奥氏体(图6-8)。此钢再经520℃回火后,残余奥氏体大量转变,回火马氏体也清晰可见(图6-9)。 图6-5 Cr12钢 980℃加热淬火组织 500× 图6-6 Cr12钢 980℃淬火200℃回火组织 500×
图6-7 Cr12钢 1080℃加热淬火组织 500× 图6-8 Cr12钢1100℃加热淬火组织 500× Cr12MoV钢经1020℃常规加热淬火后,共晶碳化物块度比Cr12钢小得多,数量也较少,密集程度也比Cr12钢低。基体组织为隐针马氏体+残留奥氏体,分辨不清(图6-10)。剩余的碳化物相对较多。回火后基体变黑,回火马氏体针隐约可辨,残余奥氏体呈白色,白色奥氏体在黑色背景下特别清晰(图6-11)。而经1120℃加热淬火后,组织中的共晶碳化物尖角全部变圆,出现大量残余奥氏体,粒状碳化物已很少 (图6-12)。520℃三次回火后,残余奥氏体大部分分解,回火马氏体也清晰可见(图6-13)。有时为了增加钢的红硬性,将加热温度提高到1150℃,淬火组织中,大部分为白色残余奥氏体,共晶碳化物明显变小, 图6-9 Cr12钢 1100℃淬火520℃回火 图6-10 Cr12MoV钢 1020℃加热淬火组织 500× 三次组织 500× 图6-11 Cr12MoV钢 1020℃加热淬火 图6-12 Cr12MoV钢 1120℃加热淬火组织 500× 200℃回火组织 500× 棱角变圆,颗粒状剩余碳化物很少,但颗粒较粗(图6-14)。 图6-13 Cr12MoV钢 1120℃加热淬火 图6-14 Cr12MoV钢 1150℃加热淬火组织 500× 520℃回火三次的组织 500× 金相检验项目: 1. 共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准第四评级图评定,合格级别见表6-2,用Ⅰ组评定应供需双方协议。 2.珠光体球化 按相应技术条件进行评定。 3.二次碳化物网 按GB1299/1985《合金工具钢技术条件》中第二级别图评定。一般模坯碳化物 网应≤2级。 表6-2共晶碳化物不均匀度级别 钢材直径或边长(mm) 共晶碳化物不均匀度级别,不大于 Ⅰ组 Ⅱ组 ≤50 >50~70 >70~120 >120 3 4 5 6 4 5 6 协议
4.淬火组织及晶粒度 按《工具钢热处理金相检验》行业标准进行,规定一次硬化马氏体针≤2级,晶粒度10~12级,二次硬化马氏体针≤3级,晶粒度8~ 9级。 (二)基体钢 以65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、5Cr4Mo3Si MnVAI(012A1)和6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)等为代表。合金元素总量常在10%~12%(质量分数)。允许有5(体积分数)左右的剩余碳化物,耐磨性好。晶粒长大倾向不大,能兼做冷、热模具。这类钢对原材料退火工艺和最终热处理工艺要求较高,65Nb的退火工艺是等温球化,或进行超细化处理(1200℃固溶,720℃高温回火)。尽可能减小带状碳化物偏析、共晶碳化物链状和二次碳化物网。在金相检验中应注意012A1钢中的粗大氧化铝夹杂,CG-2钢中的VN夹杂等。
金相检验项目: 1.脱碳层测定 模坯脱碳层深度不允许超过加工余量,模具热处理后不允许有明显脱碳。 (1)退火脱碳 这类钢的脱碳组织表现为碳化物球由基体向外逐渐减少,而碳化物形态无明显改变。因此基体组织呈球状或点状珠光体。部分脱碳时有两个特征:一是碳化物球逐步均匀减少;二是低密度碳化物球的颗粒数逐步增多。全脱碳区为铁素体。 (2) 淬火回火脱碳 基体钢的脱碳与低合金工具钢的脱碳相似。淬火组织可见交叉分布的针状马氏体,表层马氏体针比心部长,侵蚀后色泽略浅,低温回火后也是具有较浅色泽,因此在制备金相试样时应注意把表面组织完全显示出来。脱碳程度较大时,如含碳量的质量分数约为0.4%时,将出现板条马氏体,表面色泽较深,回火后也是色泽较深。金相分析时要分辨假象,500倍下必须观察到成排分布的低碳板条马氏体。严重脱碳的淬火组织,会出现铁素体网,制备试样应能显示出铁素体晶界为准。 2.碳化物带状偏析 基体钢中的严重碳化物带状偏析(碳化物呈点状)和共晶碳化物等,可采用《铬轴承钢技术条件》评定,检查时取纵向试样,经淬火回火,试样需深侵蚀,在100倍和500倍放大下根据碳化物聚集程度、大小和形状评定其级别。 基体钢的碳化物多呈点状,淬火加热时碳化物带内基体含碳及合金量较高,淬火后形成以隐针孪晶马氏体为主的组织,经高温回火后,该区仍显回火不足,呈白色,剩余碳化物是黑色点状,碳化物两偏析带之间是低合金低碳区,高温回火后转变为回火马氏体、回火托氏体,甚至是回火索氏体,黑白相间的条带是由带状偏析所致,淬火组织和回火组织不均匀也是模具淬火开裂和早期失效的原因。 3.二次碳化物网 网状碳化物形成原因主要是,停锻温度较高;冷却又较慢;球化退火前需经正火消除残留网状。一般网状碳化物所包围的晶粒也比较粗大,这种晶粒相当于在停锻温度时的奥氏体晶粒。过热球化也可以形成碳化物网,显微组织中可观察到网状二次碳化物、粗粒和粗片珠光体。另外在高温加热风淬或高温分级淬火也可能形成碳化物网,显微组织要用高锰酸钾或赤血盐溶液热染,因为它是纤细而封闭的网络。 4.共晶碳化物 可参照高铬钢或高速钢的办法进行制样和评定。 5.回火程度 制备试样时必须注意,不要在磨抛时发热。用ω=95%含水酒精试剂,硝酸浓度为ω=4%的侵蚀剂,使用温度15~25℃,侵蚀时间为2 min。试样侵蚀面上观察到灰黄色不均匀者为回火不足。因为回火不足容易误判,可将同一块试样再切下一块,再补充回火一次,与前一试样在同等条件下侵蚀对比观察效果较好。
二、热作模具钢 热作模具长时间在反复急冷急热工况下工作,模具温升可达700℃,因此要求模具用钢有良好的热强性及热疲劳和韧性。高韧性热锻模钢有5CrNlnMo、5CrNiMo, 4Cr5MoSiV(H11)等。退火组织为片状珠光体和铁素体。常有严重的元素偏析。强韧兼备的热模具钢有4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo2MnVB、4Cr3Mo3W4VNb(GR)等,高热强钢有3Cr2W8V、4Cr3Mo2MnVNbB(Y4)、4Cr5Mo2MnVSi(Y10)等。其他热作模具钢属共析或过共析钢。退火组织为点状及细粒状珠光体和共晶碳化物。它们的共晶碳化物属亚稳定共晶碳化物。要求是均匀、细小和圆整的碳化物,不允许大块或呈链状、带状分布。由于多种合金元素的加入,热模钢的冶金质量较难控制,钢材中的碳氮化合物及夹杂物检验均是至关重要的。 热作模具钢金相检验采用的主要标准是,YB 9-1968《铬轴承钢技术条件》, ZJB36003-1987《工具钢热处理检验》和GB/T 1299-2000〈合金工具钢技术条件》。 (一)高韧性热锻模钢 1.原材料带状组织 最好不超过2级。 2.碳化物偏析带 主要针对H11钢,按技术条件验收。 3.热处理组织 马氏体针长为≤4级。用回火托氏体和回火索氏体的模具,应注意组织不均匀和回火不均匀,出现上贝氏体时,说明有过热现象,用回火马氏体、回火托氏体和少量碳化物的模具,应注意碳化物偏析引起的组织不均匀现象。 4.碳化物网 主要针对H11钢,模坯的碳化物网要求≤2级。 5.球化质量 主要针对H11钢,按技术条件检验。 (二)强韧兼备的热作模具钢和高热强钢 1.共晶碳化物不均匀性 用做热作模具的大多是共析钢或过共析钢,并且合金元素含量较高,碳和其他合金元素扩散均匀比较困难,较严重的元素偏析就可能导致亚稳定的共晶碳化物出现。一般可采用高温长时间的扩散退火方法消除。如果共晶碳化物数量多并集聚成链或带,将会造成严重危害。因此应采用《铬轴承钢技术条件》中有关碳化物液析的评定标准及相应的技术条件进行检验,以更使模具钢的质量得到控制。 2.球化质量 按技术条件检验。 3.碳化物网 碳化物网的形成主要原因是:锻后缓冷、退火过热、高温加热空气淬火和高温分级淬火。要求模坯碳化物网≤2级。 4,碳化物偏析带 按技术条件检验。 5.热处理组织淬火后马氏体针长≤4级,晶粒度要细于8级。马氏体针长≤2级时,其晶粒度要细于9级。采用回火马氏体、回火托氏体、剩余碳化物和共晶碳化物的模具,应注意有无晶界碳化物网。共晶碳化物若呈带状或有碳化物偏析带,将使淬火回火组织不均匀。一般能在1000倍放大下分辨出回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体。3Cr2W8V钢在回火后有时会出现宽晶界,应注意与二次网状碳化物的区别,具有宽晶界组织模具脆性倾向大。
三、塑料专用模具钢 由于塑料模具形状复杂、尺寸精度和表面粗糙度等均有较高要求,所以使用的模具材料类型较为特殊。 (一)精炼的结构钢 以3Cr2Mo(P20)为代表的精炼合金结构钢,经调质后模坯硬度30~35HRC,加工性能好。该钢对非金属夹杂物要求较高,一般要控制在2级以下。 (二)易切削预硬钢 钢中加人硫、钙、硒、碲、铅及稀土元素等,能形成易切削相。如8Cr2MnWMoVS, 5CrNi2MnMoVS(SMl)是单元易切削预硬钢。5CrNiMnMoSCa(5NiSCa)是二元易切削预硬钢。调质后硬度40~-45HRC,再经机加工,磨抛后可获得镜面。 硫系易切削钢中的易切削相,容易集中成带状分布,横向力学性能差,拉伸断口呈层状。硫化锰尺寸不能过长,要求分散分布。硫钙系易切削预硬钢中,易切削相(Mn•Ca) S呈纺锤形,钢中高硬度的Al2O3、SiO2等形成复合低熔点共晶氧化物MCaO•Al2O3•NSiO2,硬度也从原来的1800HV降到900HV,如果呈纺锤形的易切削相分布均匀,对机械性能的横纵向性能有较大改善。冶炼时如果钢水吸钙不足,(Mn•Ca) S易切削相可重新蜕变为条状MnS,因此,金相检验易切削相的形态和分布十分重要。 (三)时效硬化塑模钢 10Ni3MnMoCuA1(PMS)钢为时效硬化塑模钢。模坯锻后空冷,硬度30HRC,机加工后再时效,硬度上升到40~43HRC,磨抛后可获得镜面。PMS钢固溶空冷得到粒状贝氏体,如果空冷速度较快则在粒状贝氏体中出现板条状马氏体,使机加工性能变差。时效后,粒状贝氏体中富碳的岛状组织转变为岛状马氏体,有碳化物析出和NiAl相析出,硬度上升,使模具具有较好的镜面粗糙度。
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