3Cr17型模具鋼碳化物偏析問題研究

馬衛(wèi)東，張宏祥

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004）

0 引言

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，被稱為“工業(yè)之母”。模具的質(zhì)量與使用壽命不僅依賴于合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工精度，還受到模具材料和熱處理的影響。3Cr17型不銹鋼是一種新型的優(yōu)質(zhì)塑料模具鋼，不僅有較好的耐蝕性能，淬火后硬度也要優(yōu)于2Cr13等塑料模具鋼。但是，由于國產(chǎn)模具鋼在工藝設(shè)計和成分控制上的欠缺，影響了該鋼材的工藝性能和使用性能。根據(jù)國內(nèi)模具業(yè)的實際情況，要解決該問題，首先應(yīng)對國產(chǎn)模具鋼進行后續(xù)熱處理，使其內(nèi)部組織均勻化，從而改善其力學性能及使用性能。

1 球化退火的工藝措施

1.1 研究現(xiàn)狀

試驗所用3Cr17鋼化學成分為：碳C （0.26%～0.35%），硅 Si（≤1.00%），錳 Mn（≤1.00%），硫 S（≤0.030%），磷 P（≤0.035%），鉻 Cr（15.00%～17.00%）等。

目前，國內(nèi)對改善Cr12型鋼材性能研究較多，而對Cr17型不銹鋼研究則較少。在此研究領(lǐng)域，武漢工學院的周悠等通過對3Cr17NiMo能譜分析，指出：國產(chǎn)3Cr17鋼材的化學成分設(shè)計不理想是造成拋光性能不及國外同類鋼的主要原因［1］。昆明理工大學的趙亮等對3Cr17Mo鋼的淬回火組織和力學性能進行了研究［2］。劉海濤等研究了初始凝固組織對Cr17鐵素體不銹鋼組織、織構(gòu)、成形性的影響，并從鋼鐵鑄造生產(chǎn)層面進行了研究，指出改善鋼材質(zhì)量的方法［3］。湖南科技大學的鄒安全等對改善Cr12鋼不均勻性碳化物分布做了一定的研究［4］。郭淑娟等提出了針對Cr12型模具鋼的預(yù)冷等溫球化退火工藝［5］。這些研究對3Cr17型模具鋼材料性能改善提供了有益的參考和借鑒。

1.2 關(guān)鍵的工藝問題

模具鋼碳化物偏析問題可用等溫退火的方法加以解決。但是，對于3Cr17型模具鋼，常規(guī)的退火處理不僅熱處理周期長，還很難得到均勻分布的小顆粒碳化物。3Cr17型模具鋼熱處理的關(guān)鍵工藝是加熱溫度、等溫時間。球化退火的加熱溫度是影響球化程度完全與否的關(guān)鍵因素。合適的加熱溫度既能保證片狀珠光體消失，又能保留一部分未完全溶于奧氏體的碳化物作為球化核心，最終形成較粗大的顆粒狀碳化物的正常球化組織。如果溫度過低，由于加熱不充分形成熱處理缺陷；溫度過高，又可能形成過熱甚至過燒，造成晶粒粗大甚至晶界燒熔。研究發(fā)現(xiàn)，采用（940±10）℃的加熱溫度以及較短的時間，可以收到更好的球化效果。等溫段是生成球狀珠光體的關(guān)鍵階段。保溫時間時間不足，奧氏體內(nèi)部成分不均勻，以致球化不徹底，碳化物組織方向性明顯；如果時間過長，又會造成碳化物顆粒粗大，并增加熱處理的周期和成本。

2 新工藝措施對組織性能的影響

2.1 保溫前快速冷卻對組織性能的影響

通過研究熱處理參數(shù)對3Cr17型模具鋼使用壽命的影響，提出了3Cr17型模具鋼在（940±10）℃加熱→保溫前快速冷卻數(shù)次→730℃保溫→冷卻出爐的熱處理新工藝。將快速冷卻次數(shù)、保溫時間等作為分析因素。在設(shè)定范圍內(nèi)，對分析因素各選取一組數(shù)值，分別采用不同的數(shù)據(jù)組合形式進行試驗，并通過金相觀察、硬度測定、拉伸試驗，對其組織結(jié)構(gòu)和力學性能進行評價。試驗研究采用單因素輪換法，即每次試驗改變其中一個條件，而其他條件保持不變，尋找出該條件對熱處理結(jié)果的影響，最終得出碳化物均勻度、硬度、強度和韌性及熱處理周期綜合指標最佳的工藝方案。

圖1 3Cr17不銹鋼處理前的顯微組織（400X）Fig.1 Micro structural(400X)of 3Cr17 steel before disposal

圖2 不同淬冷次數(shù)的3Cr17不銹鋼顯微組織（400X）Fig.2 Micro structural(400X)of 3Cr17 stainless steel under different quenching times

圖1和圖2分別為處理前、后的3Cr17鋼顯微組織。從圖1和圖2可以看出，處理前，3Cr17鋼組織形式為為鐵素體＋片狀珠光體，滲碳體積聚在片狀珠光體中，碳化物偏析嚴重。處理后，3Cr17鋼的片狀珠光體已基本消失，原來積聚在片狀珠光體中的滲碳體已經(jīng)高度球化，白色的鐵素體基體上均勻分布著眾多顆粒狀的滲碳體。

圖 2（a）為 940℃加熱 1 h，730℃保溫出爐后的3Cr17不銹鋼顯微組織。該圖顯示滲碳體只有極少部分球化。

圖 2（b）、2（c）、2（d）分別為 940 ℃加熱 1 h，期間快速油冷1次、2次、3次后，再730℃保溫出爐后的3Cr17不銹鋼顯微組織。由這3個圖可以看出，3Cr17鋼碳化物的形態(tài)和分布有了明顯改善，金屬組織中的滲碳體已經(jīng)高度球化，并隨著油冷次數(shù)的增加，球狀碳化物分布更加均勻。

2.2 等溫時間對組織性能的影響

圖3為不同保溫時間3Cr17不銹鋼鋼的顯微組織變化。

圖3 不同保溫時間3Cr17不銹鋼鋼顯微組織（400X）Fig.3 Micro structural(400X)of 3Cr17 stainless steel under different soaking times

等溫段是生成球狀珠光體的關(guān)鍵階段。從圖3中可以看出，保溫時間低于2 h時，由于奧氏體內(nèi)部成分不均勻，導致球化不是非常充分，碳化物組織顯示了一定的方向性。隨著保溫時間的增加，碳化物相對比較均勻，但碳化物顆粒有了一定程度的增大，并增加了熱處理周期和成本。綜合考慮，保溫時間應(yīng)以2～3 h為宜。

3 采用新工藝處理后鋼材機械性能的改變

圖4為采用本熱處理工藝前后，3Cr17不銹鋼拉伸性能曲線。圖4（a）為未退火處理的3Cr17不銹鋼拉伸曲線，圖4（b）為退火處理后的3Cr17不銹鋼拉伸曲線圖。通過比較可以看出，退火處理前，3Cr17不銹鋼的抗拉強度比處理后稍高，但幾乎沒有屈服現(xiàn)象就發(fā)生斷裂。這說明，其塑性極差。退火處理后，在拉伸過程中，出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象，伸長率也明顯增加。這顯示，其具備了一定的韌性，綜合機械性能得到提高。

圖4 3Cr17不銹鋼拉伸關(guān)系圖Fig.4 3Cr17 stainless steel tensile test

綜合考慮材料性能及熱處理的周期和成本，得出3Cr17不銹鋼的最終熱處理方案為：（940±10）℃加熱1 h，在此期間快速油冷2次，然后在730℃保溫 2～3 h，再隨爐冷卻。

4 結(jié)語

國產(chǎn)鋼材的碳化物不均勻致使用此鋼材所制造的模具壽命較低，從而降低了國產(chǎn)鋼材的競爭力。本研究改善了常規(guī)熱處理存在的不足，解決了3Cr17型模具鋼碳化物偏析的技術(shù)問題，使3Cr17型模具鋼綜合力學性能大大改善。改善后的模具的使用壽命得到大幅提高，性能接近國外同類鋼材水平。

［1］ 周悠.塑料模具鋼 3Cr17NiMo 熱處理組織的分析［J］.模具技術(shù)，2007（3）：55－58.

［2］趙亮等.淬回火工藝對馬氏體不銹鋼3Cr17Mo組織和力學性能的影響［J］.特殊鋼，2006， 27（2）：58－60.

［3］劉海濤，馬旭東，高 飛，等.退火溫度對超純Cr17鐵素體不銹鋼冷軋板成形性能的影響［J］.東北大學學報：自然科學，2010，31（9）：1266－1269.

［4］鄒安全.改善 Cr12鋼不均勻性碳化物分布的熱處理工藝研究［J］.中國機械工程，2005，16（7）：645－647.

［5］郭淑娟.預(yù)冷等溫球化退火工藝對Cr12型模具鋼組織性能的影響［J］.科學技術(shù)與工程，2011，11（8）：1705－1708.