3Cr16NiMo+S易切削不銹模具鋼的調(diào)質(zhì)工藝研究

張學(xué)超 王學(xué)璽 黎定旺 馬 嬌

(河南中原特鋼裝備制造有限公司，河南459008)

近些年來，易切削不銹模具鋼的需求在日益提升。要提高不銹模具鋼的切削性能，目前使用最多的方法是增加鋼中硫含量，常規(guī)不銹鋼的實(shí)際硫含量多數(shù)≤0.05%，而易切削不銹模具鋼的實(shí)際硫含量都在0.05%以上。但隨著鋼中S含量的增加，材料的熱加工性能也產(chǎn)生了較大的變化，極易在調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響成材率。公司試驗(yàn)生產(chǎn)的一件大規(guī)格3Cr16NiMo+S易切削不銹模具鋼在調(diào)質(zhì)后嚴(yán)重開裂，本文針對(duì)此模具鋼的開裂展開分析，明確其開裂的原因，并確定其調(diào)質(zhì)工藝的改進(jìn)方向。

1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

3Cr16NiMo+S不銹模具鋼的化學(xué)成分見表1。此鋼采用電爐冶煉+真空精煉+電渣重熔方法煉制，煉鋼過程中適量加入S，以保證此不銹鋼的切削性能。

1.2 試驗(yàn)鋼的規(guī)格

方形件：155 mm×925 mm×3200 mm

1.3 試驗(yàn)鋼調(diào)質(zhì)工藝路線

公司根據(jù)不銹模具鋼多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)備條件，淬火加熱溫度選擇在1020℃，冷卻過程采用常規(guī)做法，介質(zhì)采用濃度為12%的水基淬火液，總冷卻系數(shù)控制在0.3 min/mm，可保證模塊的整體淬透效果和組織均勻性，水基液冷卻過程分成三段進(jìn)行，目的在于減少大規(guī)格方形件淬火的開裂傾向，回火采用580℃。

1.4 試驗(yàn)鋼開裂形態(tài)

試驗(yàn)的易切削不銹鋼模塊在淬火結(jié)束后發(fā)生了明顯的開裂，包含了嚴(yán)重的角裂和縱向通裂，部分開裂形貌見圖1。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of test steels(mass fraction,%)

圖1 模塊開裂形貌Figure 1 Die cracking morphology

2 試驗(yàn)鋼開裂原因分析

2.1 確定裂紋源

將裂紋兩側(cè)面切開觀察，共找到兩處裂紋源，裂紋源1是由端面向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋源2在內(nèi)部與裂紋源1交匯。裂紋源形貌如圖2所示。在裂紋源處制取試樣進(jìn)行缺陷分析。

2.2 化學(xué)檢測

對(duì)裂紋源1處和裂紋源2處試樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表2，各化學(xué)元素成分均在合格范圍內(nèi)。

2.3 金相組織檢測

圖2 裂紋源形貌Figure 2 Crack source morphology

表2 化學(xué)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical analysis results(mass fraction,%)

圖3 裂紋源拋光態(tài)形貌(100×)Figure 3 Polished morphology of crack source(100×)

圖4 金相組織形貌(100×)Figure 4 Metallographic structure morphology(100×)

表3 第一塊試驗(yàn)鋼回火后HRC硬度檢測結(jié)果Table 3 HRC hardness test results of the first pieceof test steel after tempering

磨制拋光裂紋源1處試樣的橫向面和裂紋源2處試樣的縱向面，用顯微鏡觀察，裂紋源處均存在二次裂紋，二次裂紋開口較粗，尾端較細(xì)，沿晶分布。主裂紋及二次裂紋上存在氧化現(xiàn)象，但無夾渣、霧點(diǎn)狀氧化物存在，說明淬火前試驗(yàn)鋼無缺陷。裂紋源處形貌見圖3。

將試樣用硝酸酒精腐蝕后觀察，裂紋源處試樣上的主裂紋及二次裂紋上無脫碳現(xiàn)象，組織與基體組織一致，都為回火索氏體+碳化物，金相組織正常。具體形貌如圖4所示。

2.4 非金屬夾雜物檢測

參照GB/T 10561—2005對(duì)裂紋源2處試樣的縱向面進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，A>3.0級(jí)，B為0.5級(jí)，D為1.0級(jí)，其余項(xiàng)目為0，即裂紋源處聚集了較多的硫化物。

2.5 表面硬度檢測

回火后在試驗(yàn)鋼兩端面各檢測3點(diǎn)洛氏硬度，硬度值達(dá)到了預(yù)期要求，說明回火溫度合適。硬度檢測結(jié)果見表3。

2.6 開裂原因總結(jié)及工藝改進(jìn)方向

由上述檢測可知，裂紋源處在淬火前無表面缺陷，成分、組織正常，主要的異常點(diǎn)是裂紋源處存在較多的硫化物，是由試驗(yàn)鋼中含硫元素較多造成的。較多硫化物的存在破壞了基體組織的連續(xù)性，降低了鋼的韌性，成為了應(yīng)力集中和產(chǎn)生裂紋的根源，增大了材料的開裂傾向，特別是在方形工件的邊角部位，開裂風(fēng)險(xiǎn)更大。所以此成分的試驗(yàn)鋼在利用常規(guī)的冷卻強(qiáng)度進(jìn)行冷卻時(shí)，會(huì)在邊角近表面的硫化物聚集處造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中并開裂，后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)充分考慮此成分的淬火敏感性，采取相應(yīng)措施降低冷卻強(qiáng)度。

3 采取改進(jìn)措施后的試驗(yàn)效果

3.1 淬火采取的改進(jìn)措施

根據(jù)第一塊3Cr16NiMo+S易切削不銹模具鋼的調(diào)質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整第二塊的調(diào)質(zhì)工藝，淬火加熱溫度和回火溫度不變，冷卻介質(zhì)依舊采用濃度為12%的水基淬火液，水基液冷卻系數(shù)下調(diào)至0.2 min/mm，只利用水基液完成前兩段冷卻過程，第三段冷卻改為風(fēng)冷。

圖5 金相組織形貌(100×)Figure 5 Metallographic structure morphology(100×)

3.2 采取改進(jìn)措施后的效果

選擇相同規(guī)格的試驗(yàn)鋼按照新調(diào)整的調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行試驗(yàn)，淬火結(jié)束后未出現(xiàn)開裂。

對(duì)此試驗(yàn)鋼進(jìn)行金相組織檢測，組織為回火索氏體+碳化物，金相組織正常，見圖5。

表4 第二塊試驗(yàn)鋼回火后HRC硬度檢測結(jié)果Table 4 HRC hardness test resultsof the second test steel after tempering

回火后在試驗(yàn)鋼兩端面各檢測3點(diǎn)洛氏硬度，硬度值達(dá)到了預(yù)期要求，即適當(dāng)降低淬火冷卻強(qiáng)度后，未影響最終硬度值，見表4。

4 結(jié)語

3Cr16NiMo+S易切削不銹模具鋼，在淬火過程由于較多硫化物的存在而增大了開裂傾向，硫化物聚集處會(huì)成為淬火應(yīng)力的集中點(diǎn)而極易導(dǎo)致開裂，必須嚴(yán)格控制淬火冷卻強(qiáng)度，適當(dāng)降低冷卻強(qiáng)度后可避免淬火開裂缺陷的出現(xiàn)，且對(duì)回火后的硬度及組織影響較小。