熱變形對塑料模具鋼SDFT600貝氏體相變的影響

張 錚， 陳進磊， 張 敏， 喬珺威

(1. 太原理工大學 材料科學與工程學院， 山西 太原 030024；2. 太原重工股份有限公司齒輪傳動分公司， 山西 太原 030024)

隨著我國汽車和家電制造業(yè)發(fā)展，大截面塑料模具鋼的需求大幅提高，近年來國內(nèi)科研人員自主研發(fā)了系列新型貝氏體塑料模具鋼來滿足市場需求[1-5]，相比該應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)鋼種DIN1.2738，貝氏體鋼種合金設(shè)計中去掉了高成本元素Ni，采用短流程的控鍛控冷工藝得到貝氏體組織，生產(chǎn)周期大幅縮短，這些特點賦予了該鋼種巨大的市場競爭力[4-5]。

但短流程工藝決定了模塊最終組織不能通過正火或調(diào)質(zhì)工藝進行改善，因而鍛造溫度范圍內(nèi)的熱變形和過冷奧氏體貝氏體相變的精確控制將決定模塊的最終質(zhì)量[5]。目前國內(nèi)外關(guān)于熱變形對貝氏體相變的影響還沒有公認的一致解釋。洪斌等[6]分析了不同變形量及冷卻工藝條件下P20鋼的相變，發(fā)現(xiàn)變形使奧氏體內(nèi)部位錯密度增加，為鐵素體提供了更多形核點和相變驅(qū)動力，在較快冷卻速率下，變形帶和亞結(jié)構(gòu)阻礙貝氏體板條生長；Zhang等[7]研究表明，奧氏體變形使晶界成核點密度增加，加快了貝氏體的轉(zhuǎn)化速度，貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs提高了15～30 ℃；劉東升等[8]對P20鋼的研究發(fā)現(xiàn)，變形奧氏體具有較好的穩(wěn)定性，使貝氏體相變推遲到較低溫度，促進組織粒狀化。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)在熱軋溫度區(qū)間的熱拉伸和熱壓縮對隨后的等溫貝氏體轉(zhuǎn)變起相反的作用，應(yīng)變速率對貝氏體轉(zhuǎn)變也有影響?？梢姴煌脑囼灄l件會導致不同的研究結(jié)論。此外該領(lǐng)域現(xiàn)有研究采用的應(yīng)變速率和連續(xù)冷卻速率主要針對軋制和小截面鍛件的生產(chǎn)[10-11]，而大型塑料模具鋼模塊鍛造生產(chǎn)特點決定了變形速率和冷卻速率遠低于軋制生產(chǎn)，相關(guān)研究較少[1,5,9]；同時由于大型模塊成本高，解剖成品模塊以研究組織的成果也很少[1]。基于此，本文根據(jù)SDFT600塑料模具鋼的實際生產(chǎn)工藝選擇試驗參數(shù)，進行實驗室動態(tài)和靜態(tài)連續(xù)冷卻相變(CCT)試驗，對比分析熱變形對該鋼種過冷奧氏體連續(xù)冷卻貝氏體相變的影響，以期為大模塊生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論支持。

1 試驗材料與方法

SDFT600鋼的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為0.28C、1.44Mn、0.49Si、0.46Mo、1.4Cr和適量微合金元素。試驗鋼取自供貨態(tài)規(guī)格660 mm×1210 mm×2700 mm的成品模塊。動態(tài)CCT試驗采用Gleeble-3500熱模擬試驗機將試樣以10 ℃/s速度加熱到1200 ℃，保溫180 s均勻奧氏體化，壓縮并同步降溫至1050 ℃，壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，壓縮時間375 s，應(yīng)變速率為0.0009 s-1；變形結(jié)束后，保溫20 s以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，然后分別以0.05﹑0.08﹑0.1 和0.5 ℃/s的速度連續(xù)冷卻至室溫；靜態(tài)CCT試驗采用DIL805熱膨脹儀，參數(shù)完全依據(jù)動態(tài)CCT制定，試樣直徑φ4 mm，長度10 mm，以10 ℃/s的速度加熱到1200 ℃，保溫180 s，隨后以0.4 ℃/s(根據(jù)動態(tài)CCT熱壓縮時間確定)冷至1050 ℃，保溫20 s后以不同速率連續(xù)冷卻至室溫，具體工藝見圖1。本試驗中的應(yīng)變速率0.0009 s-1由成品模塊實際生產(chǎn)鐓粗工藝換算得到；變形溫度區(qū)間系考慮大模塊鍛造生產(chǎn)溫度范圍1200～850 ℃，而大型鋼錠或半成品模塊外表面降至終鍛溫度時心部溫度多還保持在1050 ℃左右；壓縮應(yīng)變參考大模塊鍛造生產(chǎn)鐓粗和拔長壓下量制定。

圖1 CCT試驗方案

殘留奧氏體(殘奧)體積分數(shù)、顯微組織和顯微硬度(10點取平均值)均在試樣心部區(qū)域測定。顯微組織采用尼康LV150型顯微鏡和Zeiss Supra 40型掃描電鏡觀察。黑白金相腐蝕采用4%硝酸酒精，彩色金相采用Na2S2O5水溶液和苦味酸酒精混合溶液腐蝕。采用X-350A型X射線應(yīng)力儀測定各試樣殘奧含量，測量10次取平均值。使用MH-3型維式硬度計對試樣進行顯微硬度測定，載荷砝碼0.5 kg，保荷時間15 s。

2 試驗結(jié)果與分析

圖2是0.5 ℃/s冷速下動態(tài)和靜態(tài)CCT試樣的晶粒形貌。由圖2(a)可以看到，動態(tài)CCT試樣出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，不同視場計算平均晶粒度為5.5級；圖2(b)所示靜態(tài)CCT試樣晶粒較均勻，平均晶粒度3.5級。熱變形帶來的再結(jié)晶作用起到了細化晶粒的效果，注意到圖2(a)中顯示部分不規(guī)則晶界，對應(yīng)不完全再結(jié)晶晶粒，這就意味著熱變形帶來的加工硬化效果并沒有完全消除，這些變形引起的缺陷有可能在過冷奧氏體相變中起到作用。圖2中多見貫穿晶粒的黑色貝氏體板條束組織。

圖2 0.5 ℃/s 冷速下CCT試樣的晶粒形貌

圖3為動態(tài)CCT試樣的掃描電鏡組織。圖3(a, b)為0.5 ℃/s冷速對應(yīng)的低倍和高倍放大組織，顏色較淺的基體組織主要為上貝氏體，貝氏體板條束分隔區(qū)域呈現(xiàn)灰黑色的為馬氏體；由圖3(a)可以看到，上貝氏體板條發(fā)達，部分板條貫穿了原奧氏體晶粒。圖3(c, d)為0.1 ℃/s冷速對應(yīng)的粒狀貝氏體和下貝氏體組織，下貝氏體分布在半連續(xù)的馬氏體/奧氏體島狀組織(馬奧島)之間的區(qū)域，這種分布特點反映兩種組織形成的先后順序，在中溫區(qū)首先形成粒狀貝氏體，隨著溫度的降低，下貝氏體由晶粒中未轉(zhuǎn)變的奧氏體形成；這里粒狀貝氏體形貌與上貝氏體有一定程度的相似，體現(xiàn)在馬奧島的構(gòu)成并不是完全無規(guī)則，而是呈現(xiàn)出特定的位向性，這與熱變形引起的奧氏體變形帶和亞結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]。圖3(e, f)為0.08 ℃/s冷速對應(yīng)組織，該冷速下已經(jīng)出現(xiàn)沿晶界析出的先共析鐵素體，圖3(e)晶界鐵素體右側(cè)粒狀貝氏體組織具有明顯位向性，而晶界左側(cè)粒狀貝氏體中馬奧島分布無明顯擇優(yōu)取向。圖3(g, h)為0.05 ℃/s冷速對應(yīng)組織，注意到該冷速下粒狀貝氏體為主要構(gòu)成組織，馬奧島之間有少量碳化物析出，需要說明的是雖然文中未配圖顯示，但掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)該冷速下存在少量分布在晶界的先共析鐵素體。

圖3 不同冷卻速率下動態(tài)CCT試樣的顯微組織

圖4為不同冷速下靜態(tài)CCT試樣的SEM照片，圖4(a, b) 為0.5 ℃/s冷速對應(yīng)的組織，基體組織與動態(tài)CCT試樣在該冷速下的組織類似，主要為上貝氏體和位于板條束間的馬氏體組織；注意到圖4(a, b)中灰黑色組織較圖3(a, b)多，0.5 ℃/s冷速下靜態(tài)CCT試樣較多的馬氏體會引起硬度增大，這一結(jié)果與下文的硬度測試結(jié)果一致；同時注意到圖3(a)和圖4(a) 都存在貫穿晶粒的上貝氏體板條束，可以借此分辨出該冷速下兩種CCT試樣晶粒度的較大差異，符合圖2反映的規(guī)律。圖4(c，d)為0.05 ℃/s冷速對應(yīng)組織，圖4(c)顯示該冷速下也出現(xiàn)了沿晶界析出的先共析鐵素體，基體由馬奧島和貝氏體鐵素體構(gòu)成的粒狀貝氏體及下貝氏體組成。圖4(d)中顯示了粒狀貝氏體組織間隙分布的典型下貝氏體。靜態(tài)CCT試樣各冷速下的粒狀貝氏體、馬奧島均未出現(xiàn)圖3中體現(xiàn)的明顯位向特征。

圖4 不同冷卻速率下靜態(tài)CCT試樣的顯微組織

圖5(a, b)分別為動態(tài)CCT和靜態(tài)CCT膨脹曲線，應(yīng)用切線法由400～600 ℃之間曲線的轉(zhuǎn)折點可得到貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs，如圖6所示。值得注意的是圖5(a)中右側(cè)橢圓框線內(nèi)，動態(tài)CCT曲線所有冷速下貝氏體開始轉(zhuǎn)變位置呈現(xiàn)逐步轉(zhuǎn)變規(guī)律，即各冷速對應(yīng)膨脹曲線隨溫度降低斜率變化較慢，而圖5(b)靜態(tài)CCT膨脹曲線對應(yīng)位置的曲線斜率變化較快；這一差異說明經(jīng)過熱變形的過冷奧氏體部分區(qū)域保留了變形產(chǎn)生的有利形核條件，相變驅(qū)動力較大，故在較高溫度即開始貝氏體轉(zhuǎn)變。圖5中對應(yīng)0.5 ℃/s的曲線相變區(qū)域與其他3條慢冷速曲線不同，兩種條件下貝氏體轉(zhuǎn)變后的200～350 ℃都存在明顯的曲線斜率變化(圖5(a)左側(cè)框線位置及圖5(b)對應(yīng)位置)，根據(jù)相變溫度及圖3和圖4金相特征可推斷這一變化為體積含量較大的馬氏體轉(zhuǎn)變，兩種條件下其他慢冷速曲線上沒有體現(xiàn)明顯的馬氏體轉(zhuǎn)變。需要說明的是圖5 中各冷速下，熱膨脹曲線上沒有反映出先共析鐵素體相變，但圖3和圖4顯微組織中均觀察到先共析鐵素體，說明兩種條件下該相析出量較少，未在曲線上形成明顯的轉(zhuǎn)折區(qū)域，因而后續(xù)研究中也未考慮變形對先共析鐵素體的影響，以及先共析鐵素體對貝氏體相變的影響。

圖5 熱膨脹曲線

圖6為由切線法得到的各冷速下貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，隨著連續(xù)冷卻速率的降低，動態(tài)CCT曲線的Bs溫度接近，而靜態(tài)CCT曲線的Bs溫度升高。相同冷速下，動態(tài)CCT試樣Bs溫度高于靜態(tài)CCT試樣，0.5 ℃/s時兩者差值達到96 ℃。從熱力學角度說明熱變形降低了貝氏體形核的過冷度要求，促進貝氏體的形核。

圖6 不同冷速下試樣的貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs

為分析相組成與熱變形的關(guān)系，對各試樣進行了殘奧測定，結(jié)果見表1，隨冷速降低，動態(tài)CCT試樣中殘奧逐漸增加，總量接近；靜態(tài)CCT試樣中殘奧含量隨著冷速降低而增加，在0.05 ℃/s時達到了28.0%，較同冷速下動態(tài)CCT試樣高出13.6%。如果忽略少量先共析鐵素體的影響，圖3(a, b)和圖4(a, b)中金相觀察顯示，0.5 ℃/s冷速下動態(tài)和靜態(tài)CCT試樣組織由馬氏體和上貝氏體構(gòu)成，雖然動態(tài)CCT試樣殘奧含量稍高于靜態(tài)CCT試樣，但靜態(tài)CCT試樣含有更多的馬氏體組織，所以動態(tài)CCT試樣室溫組織中貝氏體含量應(yīng)當較高；0.1～0.05 ℃/s冷速區(qū)間，兩種條件下試樣組織主要為粒狀貝氏體和下貝氏體，而靜態(tài)CCT試樣殘奧含量均較高，綜合上述結(jié)果推斷熱變形降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在較快的0.5 ℃/s條件下，靜態(tài)CCT試樣中較多過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨著冷速降低，因未變形奧氏體的穩(wěn)定性高于經(jīng)過熱變形的奧氏體，故兩者殘奧量差值逐步增大。變形導致過冷奧氏體穩(wěn)定性降低由奧氏體中碳含量降低決定，關(guān)于這一現(xiàn)象已有研究發(fā)現(xiàn)相同規(guī)律[12-13]，熱變形產(chǎn)生的高密度位錯區(qū)域或其他晶格缺陷吸引碳原子偏聚，降低了變形奧氏體中碳原子擴散能力，導致變形奧氏體的容碳能力降低。大量的殘奧將增加回火工藝的難度和模塊開裂風險，不利于保證成品大模塊的硬度均勻性。

表1 不同冷速下試樣中的殘留奧氏體含量 (體積分數(shù)，%)

為了進一步分析0.05 ℃/s冷速下殘奧量的較大差異，對兩組試樣進行了彩色金相和高倍掃描電鏡觀察。圖7(a, c)對應(yīng)動態(tài)CCT試樣，圖7(b, d)為靜態(tài)CCT試樣。圖7(a, b)中棕色島狀組織為馬奧島，白綠色組織是貝氏體鐵素體，動態(tài)CCT試樣中馬奧島組織為半連續(xù)分布，靜態(tài)CCT試樣組織具有明顯的板條特征。圖7(c)顯示動態(tài)CCT試樣中尺寸大于2 μm的較大馬奧島中部為貝氏體和馬氏體混合組織，由穩(wěn)定性較差的殘奧轉(zhuǎn)變形成，較大馬奧島邊緣以及其右側(cè)較小的馬奧島表面形貌光滑，呈現(xiàn)這一特征區(qū)域一般碳含量較高[14]，對應(yīng)奧氏體含量也更高，圖7(c)中左下角較大馬奧島也體現(xiàn)了同樣形貌特征；圖7(d)靜態(tài)CCT試樣組織中，較大的馬奧島表面形貌光滑，說明島狀組織中奧氏體含量較高。大量掃描電鏡觀察結(jié)果與上述情況符合，據(jù)此推斷0.05 ℃/s冷速下，雖然低倍組織如圖7(a，b)所示，兩種狀態(tài)下都存在大量的馬奧島，但靜態(tài)CCT試樣馬奧島組織中殘留奧氏體含量較高，尤其是尺寸在2 μm以上的較大馬奧島組織穩(wěn)定性高于動態(tài)CCT試樣相應(yīng)組織，印證了前述熱變形降低奧氏體穩(wěn)定性的推論。

圖7 0.05 ℃/s冷速下動態(tài)CCT(a,c)及靜態(tài)CCT(b,d)試樣的顯微組織

如圖8所示，隨冷速的減小，兩種條件下CCT試樣的硬度逐漸降低，在0.1、0.08和0.05 ℃/s冷速下硬度接近；0.5 ℃/s冷速下，靜態(tài)CCT試樣的平均顯微硬度為534 HV0.5，遠高于動態(tài)CCT試樣(425 HV0.5)，考慮到圖2顯示動態(tài)CCT試樣晶粒度高于靜態(tài)CCT試樣，結(jié)合圖3和圖4金相可知，雖然該冷速下兩種CCT試樣組織均為馬氏體和上貝氏體混合組織，動態(tài)CCT試樣中馬氏體含量小于靜態(tài)CCT試樣，顯然細晶強化帶來的硬度增量小于馬氏體相的強化效果，導致靜態(tài)CCT試樣的硬度較高，這間接證明了該冷速下低硬度的動態(tài)CCT試樣中硬度較低的貝氏體含量更高。從產(chǎn)品應(yīng)用角度，冷速降低對應(yīng)模塊由表面至心部的冷卻規(guī)律，較小的硬度波動區(qū)間也有利于回火調(diào)整硬度均勻性。

圖8 不同冷卻速率下試樣的硬度

奧氏體熱變形對貝氏體相變的影響很復(fù)雜，如前所述不同研究者在不同的試驗條件下常常得出不同的研究結(jié)果。本研究在適用于鍛造模塊的試驗條件下，發(fā)現(xiàn)奧氏體熱變形促進隨后連續(xù)冷卻過程中的貝氏體相變。前人研究表明貝氏體轉(zhuǎn)變的形核階段伴隨碳的擴散以及碳化物的形成，而高溫變形中的加工硬化增加了組織中的位錯和其他晶體缺陷密度，因而增加了碳偏聚的可能性，在再結(jié)晶作用未能完全消除這些偏聚和缺陷的情況下，碳的不平衡分布和碳化物形核位置的增多，將直接影響貝氏體的形核和長大；同時熱變形帶來的缺陷降低了奧氏體的容碳能力，導致過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，以上因素共同作用促進了貝氏體轉(zhuǎn)變[15]，體現(xiàn)在各冷速下，動態(tài)CCT試樣的Bs溫度均較高。而靜態(tài)CCT試樣中不存在變形引入的缺陷，經(jīng)過較長時間的奧氏體高溫區(qū)停留，組織中各種元素的分布較均勻，過冷奧氏體穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)論

1) 在適用于鍛造模塊的試驗條件下，即1200～1050 ℃鍛造溫度范圍內(nèi)，30%壓縮應(yīng)變和0.0009 s-1應(yīng)變速率條件下，熱變形促進隨后連續(xù)冷卻過程中SDFT600鋼的貝氏體相變。

2) 熱變形會使貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，促進貝氏體形核；相同連續(xù)冷卻條件下，動態(tài)CCT試樣貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度高于靜態(tài)CCT試樣，0.5 ℃/s時兩者差值達到96 ℃，0.05 ℃/s時差值為32 ℃。

3) 熱變形會降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性；連續(xù)冷卻速率小于0.1 ℃/s時，動態(tài)CCT試樣殘留奧氏體含量低于靜態(tài)CCT試樣。