（材料加工工程专业论文）3cr2mo塑料模具钢预硬化热处理及其机理研究.pdf

中南大学硕i ：学位论文 摘要 摘要 本文以3 c r 2 m o 塑料模具钢为研究对象，主要对其预硬化热处理 及其机理进行了系统的研究，同时采用膨胀法并结合金相一硬度法以 及d s c 热分析法测得了3 c r 2 m o 钢的c c t 图，还对出厂态钢板的质 量进行了综合分析。结果表明，出厂态钢板的整体质量较好，但某些 区域存在带状组织，且无法通过其后的热处理消除；存在的非金属夹 杂物多数为不易变形的脆性硅酸盐类夹杂物，也存在极少量的纺锤状 ( m n ，c a ) s 复合夹杂物和长条形硫化锰夹杂物。根据测得的c c t 图， 分析了以不同冷却速度连续冷却时的组织转变；阐明了冷却速度与组 织的演变以及硬度变化的关系；确定了实验钢不存在马氏体转变的下 临界冷却速度在o 5 s 至o 7 s 之间，马氏体转变的上临界冷却速 度在1 s 和1 5 s 之间。实验钢的最佳预硬化热处理工艺为 ( 8 5 0 9 2 0 ) 0 c 油淬( 保温l h ) + ( 5 7 0 - 一6 3 0 ) 。c 回火2 h ，此时组织转变充 分且均匀，碳化物细小弥撒分布在整个基体内，硬度达到较佳的使用 范围( 2 8 3 6 ) ，且具有高的强度和好的韧性搭配，能够满足塑料 模具钢使用的要求。 关键词：3 c r 2 m o 钢，质量分析，c c t 图，预硬化热处理 a bs t r a c t 3 c r 2 m os t e e lw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rb ye x p l o r i n gt h e p r e h a r d e n i n g h e a tt r e a t m e n ta n di t sm e c h a n i s m ，a n da n a l y z i n g s y n t h e t i c a l l y t h e q u a l i t y o fs t e e l si nf a c t o r ys t a t e b ym e a n so f d i l a t o m e t r i cc h a n g e ，d s ca n a l y z e a n d m e t a l l o g r a p h y - h a r d n e s s m e a s u r e m e n t ，t h ec c td i a g r a mw a so b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h eo v e r a l lq u a l i t yo f1 c a v ef a c t o r ys t e e l s i sf i n e ，h o w e v e r ，b a n d e d s t r u c t u r ew h i c hc a n n o tb ee l i m i n a t e db yt h eh e a tt r e a t m e n tf o l l o w e de x i s t i ns o m er e g i o n s m o s to ft h ee x i s t i n gn o n m e t a l i n c l u s i o n sa r ei n t r a c t a b l e b r i t t l es i l i c a t ei n c l u s i o n s a n dt h e r ea r ea l s oae x t r e m e l ys m a l la m o u n to f s p i n d l e ( m n ，c a ) sc o m p o s i t ei n c l u s i o n sa n dr e c t a n g u l a rm n s i n c l u s i o n s a c c o r d i n gt ot h ec c td i a g r a mo f3 c r 2 m os t e e lo b t a i n e da b o v e ，t h e t r a n s f o r m a t i o no fa u s t e n i t ea td i f f e r e n tc o o l i n gr a t e sw e r ea n a l y z e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o o l i n gr a t e sa n dt h ev a r i a t i o no f m i c r o s t r u c t u r e a n dh a r d n e s sw a sd i s c l o s e d ，a n dt h ec r i t i c a lc o o l i n gv e l o c i t y w a s a s c e r t a i n e d i nw h i c ht h el o w e rc r i t i c a lc o o l i n gv e l o c i t yi sb e t w e e n0 5 sa n do 7 * c s a n dt h eu p p e rc r i t i c a lc o o l i n gr a t ei sb e t w e e n1 sa n d1 5 s t h eb e s tp a r a m e t e r so fp r e h a r d e n i n gh e a tt r e a t m e n ts h o u l db eo i l q u e n c h i n ga t ( 8 5 0 9 2 0 ) l ha n dt h e na i r - c o o l i n gt e m p e r i n g a t 57 0 6 30 f o r2 h u n d e rt h i sc o n d i t i o n sm o r eh o m o g e n e o u sa n ds t a b l e m i c r o s t r u c t u r ew a so b t a i n e d ，t h ec a r b i d ew a st h i na n dd i s p e r s i v ea n di t s h a r d n e s sw a sw i t h i nt h eo p t i m u mu s er a n g e ( 2 8 - 3 6 h r c ) i na d d i t i o n ，i t s h i g hs t r e n g t he l o n g a t i o nc o o r d i n a t e dw i t h e x c e l l e n ti m p a c tt o u g h n e s s ， w h i c hf u l l ys a t i s f i e dt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fp l a s t i cm o u l ds t e e l k e yw o r d s t 3c r 2 m o s t e e l ，q u a l i t ya n a l y s i s ，c c td i a g r a m ， p r e - h a r d e n i n gh e a tt r e a t m e n t 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 随着工业的高速发展以及生产水平的不断提高，具有高效率、低成本、节约 原材料和产品质量好等特点的模具成型工艺越来越多地代替传统的切削加工工 艺和其他加工工艺。目前，家用电器行业约8 0 的零部件依靠模具加工，机电工 业7 0 以上的零部件采用模具加工，塑料制品、陶瓷制品、橡胶制品、建材制品、 耐火材料制品大部分采用模具成型，产品质量的提高和更新换代的速度往往取决 于模具的精度、质量、制造周期和使用寿命。因此，美国提出“模具是工业发展 的基石 ，日本模协提出“模具是促进社会繁荣的动力”i l j 。我国模具工业2 0 0 0 年的总产值约为2 8 0 亿元，2 0 0 5 年6 2 0 亿元，2 0 0 6 年增加至7 2 0 亿元口j ，根据模具 行业的发展目标测算，2 0 1 0 年的总产值约为1 0 0 0 亿元，2 0 2 0 年约为2 6 0 0 亿元。 模具工业的飞速发展也带来了模具钢生产和研究的快速发展【3 】。近年来，塑 料制品业发展非常迅速，其产量和消费量都相对稳定增长1 4 j ，与此同时也带来了 塑料模具钢的快速发展，目前塑料模具钢的需求量占模具钢总量的6 2 ，专家预 计其需求还将进一步增长。但是，对于制造高档次的塑料模具，由于模具结构复 杂、尺寸精度较高、加工难度大，模具的使用寿命短、精度低、加工周期长，其 模具钢品种、规格、质量和交货周期往往不能满足需要，尤其是家电行业需要大 型的p 2 0 。与工业发达国家相比，我国塑料模具钢处于发展的前期阶段，缺乏塑 料模具专用钢种，p 2 0 、7 1 8 预硬化塑料模具钢模块和高精度的扁钢，国内尚存在 交货期长、质量差和品种规格不全等问题，使得家电行业用的模具钢大量依靠进 1 ：3 1 5 】。进口模具钢的价格很贵，一般为国产钢的3 4 倍【6 】，对于进1 ：3 模具钢材，除 了少数产品尚需再进一步做研制工作之外，大部分产品我国有能力进行开发，关 键问题在于如何保证国产模具钢高质量、高性能的稳定，缩短交货周期。 1 2 塑料模具钢概述 1 2 1 塑料模具钢的分类及应用 根据化学成分和热处理手段，可把塑料模具钢分为渗碳型塑料模具钢、时效 硬化型塑料模具钢( 含镜面模具钢) 、预硬型塑料模具钢( 含易切削钢) 、耐蚀型塑 料模具钢、调质型塑料模具钢和淬硬型塑料模具钢等6 大类。目前应用较多的是 时效硬化型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和预硬型塑料模具钢7 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 1 1 渗碳型塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢的碳含量一般在o 1 加2 5 范围内，退火后硬度低、塑 性好，可以采用冷挤压法成型，成型后可进行渗碳、淬火、回火处理，模具心部 韧性好、表面硬度高、耐磨性能好。常用国产钢号有1 0 、2 0 、2 0 c r 、2 0 c r n i m o 、 2 0 c r m o t i 、1 2 c r 2 n i 2 、1 2 c r n b a 等，美国有p 2 p 6 系列，日本有c h l 、c h 2 、 c h 4 1 ，原西德有2 1 m n c r 5 、x 1 9 n c r m 0 4 、x 6 c r m 0 4 、w e 5 、c n s 2 h 等钢种。 1 0 、2 0 渗碳钢价格便宜，渗碳后表面具有高的硬度和耐磨性，但其淬透性 差，心部强度低，适宜做承受小载荷和要求不高的塑料模具。2 0 c r 钢淬透性高， 淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，渗碳处理后再进行淬火和低温回火， 能达到表面耐磨和硬度高、心部韧性好的要求，适宜于制作中小型塑料模具。 1 2 c r n i 3 a 钢退火后硬度低、塑性好，可进行切削加工也可冷挤压成型，成型后 进行渗碳处理，再进行淬火和低温回火，可用于制造大中型塑料模具。 1 2 1 2 时效硬化型塑料模具钢 时效硬化型塑料模具钢的含碳量一般较低，合金度较高，生产中多采用真空 冶炼和电渣重熔工艺。时效硬化型塑料模具钢具有很好的焊接性能，可进行表面 氮化处理等，主要应用于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具和透明塑料制品模 具等。加工模具时先经固溶处理，此时硬度较1 k 玉( 2 8 3 5 r m c ) ，便于切削加工， 模具制造成型后进行时效处理，可获得很高的综合力学性能，且时效处理的变形 小( 一般仅有0 0 1 o 0 3 ) 。 时效硬化型塑料模具钢主要包括高镍马氏体时效钢和无钴低镍时效硬化钢 两类。高镍马氏体时效钢主要为1 8 n i 马氏体时效钢，包括1 8 n i ( 1 4 0 ) 、1 8 n i ( 1 7 0 ) 、 1 8 n i ( 2 1 0 ) 、1 8 n ( 2 5 0 ) 、1 8 n i ( 3 0 0 ) 、1 8 n i ( 3 5 0 ) 、1 8 n i 9 c o 等钢种，由于含有大量 的钴和镍，价格昂贵，应用范围大大受限，目前主要应用在高耐磨、高精度、超 镜面、型腔复杂的塑料模具。无钴低镍时效硬化钢的典型钢号有国产的 p m s ( 1 0 n i 3 m n c u a i m o ) 、0 6 n i ( 0 6 n i 6 c r m o v t i a l ) 、2 5 c r n i 3 m o a i 等，国外主 要有美国的p 2 1 ( 2 0 c r n i 4 v ) 和日本的h p m l 、n 5 m 、n 3 m 、n a k 5 5 ( 1 5 n i 3 m n m o a l c u s ) 、n a k 8 0 等钢种，由于无钴和较低的镍含量，此类钢在我国 应用较广，其热处理工艺一般包括固溶处理、二次固溶处理( 高温回火) 和时效处 理3 个步骤。 1 2 1 3 预硬型塑料模具钢 预硬型塑料模具钢属于低中碳钢，含碳量一般在0 3 - - 0 5 范围内，添加有 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 造有较高强韧性、使用温度较高和具有一定耐磨性的塑料模。基体钢一般用于制 造大型、精密、型腔及嵌件形状复杂且要求热处理后即有优良耐磨性的模具。 1 2 2 塑料模具钢的工作条件及其主要失效形式 1 2 2 1 塑料模具钢工作条件 按塑料品种不同，塑料制品成型模具可以分为热固性塑料压模和热塑性塑料 注塑模两大类 1 2 - 1 3 】。热固性塑料压模( 胶木模) ，用于酚醛树脂、三聚氰胺树脂等 各种胶木粉( 又称电木粉) 的压制成型。各种胶木粉中一般含有大量固体填充剂， 多数粉末直接放入模具，在2 0 0 - - 2 5 0 0 c 下热压成型，模具在使用过程中受力较大， 磨损较严重，易受侵蚀，手工操作时还会受脱模的冲击和碰撞。热塑性塑料注塑 模，用于尼龙、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等各种热塑性塑 料的注射成型。生产时，塑料以流动胶体状态注入模具型腔，模具受热、受压、 受磨损，但不严重，对于生产添加玻璃纤维作为增强剂的塑料制品时，对模具型 腔的磨损加剧，在生产聚氯乙烯、酚醛等塑料制品时，由于析出含有氯、氟等腐 蚀性气体，侵蚀模具型腔表面。 1 2 2 2 塑料模具的主要失效形式 塑料模具的失效形式主要有4 类。 表面磨损。由于塑料中含有无机填料，使模具型腔磨损，表面粗糙度恶化， 需要不断抛光，多次抛光后型腔尺寸超差而失效。 表面侵蚀。塑料含有的氯、氟元素，受热分解析出h c l 、h f 等腐蚀性气体， 侵蚀模具表面而失效。 。 塑性变形。模具持续受热，在压力作用下发生塑性变形而失效。 断裂。塑性制品成型模的形状复杂，在凹角、薄边等处容易造成应力集中 而开裂。 1 2 3 塑料模具钢的基本性畿要求 塑料注塑模的结构比较复杂，各零件在工作中所处的地位、作用不同，对材 料的性能要求也有所不同。根据塑料成型模具的使用条件、加工方法的不同将注 射成型模具用钢的基本性能要求归纳如下【h 】。 良好的组织 钢材纯洁度高、组织均匀致密，偏析少，无网状及带状碳化物，无孔洞疏松 及白点等缺陷。提高钢的纯净度可以显著提高钢的韧性和抗冷热疲劳性能【l 5 m 】。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 强度 塑料注射成型压力较大，尤其是闭模压力一般为注射压力的1 5 2 倍，有的 高达4 倍左右，要求模具钢具有较高的强度，对于大型塑料模具，除了考虑钢材 的强度之外，模具的刚性问题十分重要。 耐磨性 决定模具使用寿命最重要的因素是其耐磨性，塑料模具的磨损主要有机械磨 损、氧化磨损和腐蚀磨损三种类型。模具型腔表面承受机械磨损是最常见的，模 具在工作中承受相当大的压力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦条件下仍保持 其尺寸精度和表面粗糙度。随着塑料制品用途的扩大，在塑料中往往需要加入玻 璃纤维、碳酸钙、石墨、云母等添加剂，这些添加剂对塑料模具型腔表面产生很 大的冲刷和磨损作用，因此，要求模具型腔表面具有一定的硬度，硬度越高，耐 磨性越好。一般来说，对于压制普通塑料制品的模具型腔的硬度，通常控制在 3 0 h r c 左右，对于压制玻璃纤维增强塑料制品的模具，其型腔表面硬度应大于 4 0 h r c ，热固性塑料成型模具，其使用硬度一般大于5 0 h r c 。 耐蚀性 a b s 树脂中添加的抗燃剂和聚氯乙烯等可能在成型过程中放出腐蚀性气体 而腐蚀模具，有时使空气流道口处的模具锈蚀而损坏，因此，要求塑料模具钢有 良好的耐蚀性能。 耐热性能 塑料成型温度一般在1 5 0 3 5 0 之间，随着高速成型机械的出现，塑料制品 生产速度加快，如果塑料流动性不好，会使模具局部的表面温度超过4 0 0 。c ，为 保证模具在使用时的精度以及避免热变形，模具钢应有较高的耐热性能。 切削加工性能 随着塑料制品的大型化、精密化、形状复杂化，同时要求制造周期越来越短， 因此，要求模具用钢具有良好的切削加工性能。影响钢材切削加工性能的因素是 钢材的硬度、组织以及夹杂物类型、形态、数量以及晶粒度等，其中硬度高低对 切削性能影响最为显著，通常，硬度在1 8 0 2 2 8 h b 之间的钢材切削加工性能最好， 硬度高则刀具易磨损，硬度低则不易断屑。加入能增加碳化物或强化珠光体的合 金元素，会降低钢材的切削加工性能。 镜面1 j n - r 性能 为了保证塑料压制件的外观和便于脱模，大多数塑料模具的型腔表面应光 滑，成型面要求抛光成镜面，表面粗糙度低于r a 0 4 p m ，对于生产透明塑料制品、 有光学要求的塑料制品、对表面粗糙度要求很严的塑料制品，用于制造型腔的模 具钢均必须具有十分良好的镜面加工性能。影响模具钢镜面加工性能的因素主要 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 有钢材的冶金质量、组织、硬度和抛光技术等。 花纹图案光蚀性能 不少塑料制品为了美化或者某些特殊需要( 要求手感好或者避免反光等) ， 在其表面增添了花纹图案，这类模具要求模具钢具有较好的花纹图案光蚀性能。 影响模具钢图案光蚀性能的因素主要是钢材的成分、组织和夹杂物等，一般来说， 要求钢质纯净、晶粒细小、组织均匀、无成分偏析、各向异性小。 淬透性 对于预硬型的塑料模具钢，其淬透性很重要。用预硬钢做模版时，当钢的淬 透性不好时，模版表面和内部的组织、硬度差别很大，经加工后型腔表面的组织 和硬度达不到要求。对于大中型的塑料模具，若钢的淬透性低，热处理后模具的 使用性能仍然不能满足要求。对于形状复杂，精度要求高又容易产生热处理变形 的模具，为了减少其热处理变形，往往采用冷却能力弱的淬火介质( 如油冷、空 冷、加压淬火或盐浴淬火) ，也需要采用淬透性较好的模具材料，以得到满意的 淬火硬度和淬硬层深度。钢的淬透性主要取决于钢材的化学成分、合金元素含量 及淬火前的组织状态等。 焊接性能 。 有些模具要求在工作条件最苛刻的部分堆焊上特种耐磨或耐蚀材料，有些模 具要求采用堆焊工艺进行修复后重新加工，也有些模具在使用过程中出现损坏而 希望采用堆焊工艺进行修复后重新使用，在焊接或焊补以后还需要对模具进行加 工以达到所需的尺寸和表面粗糙度。焊接性能的关键问题在于焊后的组织和硬 度，硬度太高则加工困难，而且可能产生焊接裂纹，这就要求选用焊接性能好的 模具材料，避免或简化焊前预热和焊后处理工艺。目前对于钢的可焊性能的比较， 仍然采用国际焊接协会提出的碳当量，当钢中的碳当量小于0 4 时，钢的淬硬倾 向不明显，焊接性能优良，碳当量在0 4 至0 6 时，钢的淬硬倾向逐渐明显， 焊接性能较差，碳当量大于0 6 时，钢的淬硬倾向强，焊接性能不好。 1 2 4 预硬型塑料模具钢的研究进展 成型模具的质量对塑料制品的质量和生产成本有着极为重要的影响，采用性 能优越的优质塑料模具钢可以提高模具质量和寿命，有利于获得优质塑料制品。 目前，大型塑料模具一般采用预硬化钢，经过充分锻打后制成模块，预先热处理 至要求的硬度，然后直接由用户进行切削加工成型，不再进行热处理淬硬，供货 状态的模块整个截面强度均匀，约1 0 0 0 m p a f l 7 】。预硬化钢模具必须在预硬化状态 下加工，耐磨性和抗压强度必须低于其他模具钢，其优点是不会有产生热处理变 形的危险。 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 4 1 国外预硬型塑料模具钢的研究概况 目前，许多发达国家的塑料模具钢的产值己居模具产值的第一位，而塑料模 具钢也迅速发展成为一个专用钢种系列i 1 8 珈】。用作预硬型塑料模具的p 2 0 钢最初 是由美国提出的，属于中碳c r - m n m o 系低合金钢，碳含量在0 3 0 - - 0 4 5 之间， 加入c r 、m n 、m o 等合金元素可提高淬透性，一般经过8 5 0 - 8 8 0 奥氏体化后油 淬，按照用户的使用要求高温回火至2 8 - 3 5h r c ，得到回火索氏体组织1 2 。 现在广泛采用的预硬型塑料模具钢是在美国p 2 0 钢基础上发展起来的。为了 改善其淬透性，适应大截面模具热处理的要求，在p 2 0 钢的基础上添加n i 或提高 m n 、m o 的含量，如德国s a a r s t a h i 公司的2 3 11 和2 7 3 8 ，德胜集团的 t h y r o p l a s t2 3 “、2 7 11 和2 7 3 8 ，大同特殊钢公司的p d s 3 ，日立金属公司的 h p m 7 等。为了改善钢的切削加工性能，添加一些易切削元素发展成易切削预硬 型塑料模具钢，如瑞典u d d e h o l m 公司的r a m a x2 ，德国s a a r s t a h i 公司的 2 3 1 2 ，德胜集团的t h y i 的p l a s t 2 3 1 2 ，日立金属公司的h p m 2 ，大同特殊钢公 司的p d s 5 等1 2 2 1 。国外有时把热作模具钢某些钢号列入到预硬型塑料模具钢中， 如日立金属公司的f d a c 和d h 2 f ，瑞典u d d e h o l m 公司的o r v a r 钢，德胜集 团的t h y r o t h e r m2 3 4 4 等。近年来法国s c o r r e 等人和德国p v e a e r 等人通过降 低含碳量和提高钼含量，分别开发出具有良好加工性能和焊接性能的s p 2 0 0 钢和 t h u r h a r ds u p r e m e 钢【2 3 - 2 4 j 。 目前，瑞典u d d e h o l m 公司生产的a s s a b 系列钢种代表了世界先进的塑料 模具钢发展动态。a s s a b 系列典型塑料模具钢中预硬钢种的典型代表为 7 1 8 i m p a xs u p e r m e 、h o l d a x ，二者皆为n i c r - m o 预硬合金钢，7 1 8 钢主要 用于制造大尺寸、形状复杂的模具，如生产汽车组件、大型家电等的模具，具有 很强的通用性，而h o l d a x 是模架钢， 加工完成。 其优良的加工性可使放模芯的孔穴快速 表1 1 为国外部分预硬型塑料模具钢的化学成分【2 5 】。 表1 1国外预硬型塑料模具钢钢种的化学成分( 质量分数，) 8 中南大学硕士学位论文 第章文献综述 源、成本更低，带来了越来越大的经济效益和社会效益。 1 3 塑料模具钢的质量检验 模具生产厂家购买模具钢后，须在进厂前通过一些基本的性能检验判断钢材 的质量【4 4 】。 1 3 1 宏观检验 宏观检验是用肉眼或不大于l o 倍的放大镜检查钢材表面或断面，以确定钢材 组织缺陷及质量，分为酸浸和断口两种方法。酸浸是简单而常用的宏观质量检验 方法，分为热酸浸及冷酸浸，酸浸法取样部位应有代表性，必须是钢锭中缺陷最 严重的部位，一般钢锭头和尾部是宏观缺陷比较集中的位置。断口检验与酸浸法 一样，可以提供某些损坏的直接证据，发现钢材本身和制造中的问题。交货状态 钢材可检验酸浸低倍组织，检验酸浸低倍组织的钢材，不再做断口检验。 表1 3 为用酸浸法能显示的常见宏观缺陷。 表1 3 钢中的宏观缺陷 。 缺陷名称形成原因宏观特征 当偏析是易蚀物质或气体夹杂偏 浇注凝固过程中，由于选择结晶聚时，呈颜色深暗、形状不规则并有 偏析和扩散作用引起的某些元素偏聚，造很多密集微孔斑点；当偏析为抗蚀元 成化学成分的不均匀。素偏聚，呈颜色深暗、形状不规则、 比较光滑的微凸斑点。 在凝固过程中由于低熔点物质最横向酸浸面上，孔隙呈不规则的 疏松后凝固收缩和放出气体产生空隙，而多边形、底部有尖窄的凹坑，严重时 在热加工过程中未能焊合。有连成海绵状的趋势。 呈边缘清晰、颜色与周围显著不 外来金属夹杂 同的几何形状。 。 较大的夹杂易辨识，而较小的夹 外来非金属夹杂杂腐蚀后剥落留下细小的呈圆形的小 夹杂 孔。 颜色与周围不同，形状不规则呈 翻皮 狭长条带，周围常有氧化夹杂和气孔 存在。 钢锭或铸件浇注时，心部的液体位于中心部位，其周围常是偏析、 缩孔 由于最后冷凝时体积收缩未能得到补 夹杂或疏松密集的地方。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 充，在铸锭头部或铸件中形成宏观孔 穴。 钢锭浇注过程中所产生和放出的横向试样上呈与表面大致垂直的 气泡 气体造成的缺陷。裂缝，附近略有氧化和脱碳的现象。 一般认为是氢和组织应力的作在横向热酸浸试样上呈细短裂 白点 用，钢中的偏析和夹杂也有一定的影缝；在纵向断口上则是粗晶状的银亮 响，属于裂缝的一种。 白点。 在横断面上，轴心位置沿晶间开 裂缝轴心晶间裂缝和内裂 裂，呈蛛网状，严重时呈放射状。 钢锭或钢材的表面斑疤凹凸不平 在横向热酸浸试样上，与钢的表 及尖端的棱角，在锻轧中叠附在钢材 折叠 面呈斜交的裂缝，附近有较严重的脱 上，或由于孔型设计或操作不当生成 碳，缝内常夹有氧化物鳞屑。 耳子，在继续轧制时叠和而成。 1 3 2 化学成分和硬度检验 通过随机取样，对进厂钢材的化学成分检验和硬度测量，结合相应的标准和 规定检验钢材的实际质量和热处理工艺是否合格或完善。一般工厂常用钢材硬度 测量值判断其热处理工艺是否合格。 1 3 3 显微组织检验 通过在光学显微镜或其他显微镜下观察钢材的组织，根据有关标准和规定判 断质量和生产工艺是否合格或完善，并分析产生某些缺陷的原因。金相检验取样 要有一定的代表性，取纵断面主要观察金属的变形程度，鉴别和评定非金属夹杂 物的类型、形态、大小、数量和分布及等级，观察化合物的形状、分布以及偏析 情况，观察工件中不同截面的过渡区( 确区) 、焊接部位的纵截面( 包括焊缝金属、 熔合线、热影响区、母材) 等的组织及缺陷。取横断面主要观察金属夹杂物相以 及自边缘至中心各部位金相组织的变化( 包括过烧) 情况，观察非金属夹杂物的类 型、大小、数量及在横断面上的分布，观察显微组织中晶粒的大小及晶粒度，观 察经表面处理后( 如表面淬火、化学热处理、镀层、喷涂层等) 的组织及层深，检 查脱碳、氧化、腐蚀层深度、裂纹等表面缺陷，鉴定碳化物网级别等等。一般来 说，非金属夹杂物的评定方法根据a s t m 标准评级图以及标准g b l 0 5 6 1 8 9 评定， 一般分为硫化物夹杂、氧化铝夹杂、硅酸盐类夹杂、球状氧化物夹杂等四类。 1 2 中南大学硕j j 学位论义第一章文献综述 1 4 钢的过冷奥氏体转变 钢的热处理过程包括加热和冷却两个阶段，钢件热处理后的性能在很大程度 上取决于冷却时奥氏体转变产物的类型和形态。研究过冷奥氏体的组织转变，对 正确制定热处理工艺，对钢的实用性能具有重要的意义。在奥氏体化后的冷却过 程中，钢的奥氏体将发生分解，出现一系列组织转变，由于转变温度不同，过冷 奥氏体按不同机理转变成完全不同的组织。f e c 合金相图揭示的是在平衡或亚 平衡条件下成分、温度和组织之间的变化情况，不能表示热处理过程中在非平衡 条件下的转变规律。虽然转变类型主要取决于形成温度，但是转变程度和速度往 往又与时间密切相关，成分一定的过冷奥氏体转变是一个与温度和时间( 或冷却 速度) 相关的过程，通常可以利用温度、时间和转变程度之间关系的过冷奥氏体 转变图表示1 4 啪l 。 1 4 1 过冷奥氏体转变曲线 表示过冷奥氏体等温转变时的转变量与等温时间之间的关系曲线称为奥氏 体等温转变曲线( t t t 图) ，曲线的形状随钢的成分不同而发生变化，基本上呈 “c ”型或“s 型，通常称之为“c ”曲线。等温转变曲线反映的是过冷奥氏体 等温转变的规律，可以直接用来指导等温热处理工艺的制定【4 7 】。图1 1 为共析钢 的等温转变曲线图。 图1 1 共析钢等温转变曲线 表示过冷奥氏体连续冷却转变时的转变量与时间的关系曲线称为过冷奥氏 体连续转变曲线( c c t 图) ，c c t 图可以用来分析在不同冷却速度下，过冷奥氏 体的转变产物、转变量和硬度的变化情况。钢的化学成分的不同，其c c t 图也 中南入学硕士学位论文 第一章文献综述 会发生变化，图1 - 2 、1 - 3 、1 - 4 分别为共析钢、亚共析钢、过共析钢的c c t 图。 温 度 时间+ 图1 - 2 共析钢的c c t i 图示意图 温 度+ 时闻一 图1 - 3 亚共析钢的c c t 图示意图 图1 _ 4 过共析钢c c t i 图示意图 连续冷却条件下，过冷奥氏体是在一个温度范围内发生转变的，连续冷却转 变可以看作由许多温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得 到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。c c t 图和t t t 图在某些方 面是有联系的，比较共析钢的等温和连续冷却转变曲线，后者处于前者的右下方， 表明连续冷却转变相对滞后等温转变，说明过冷奥氏体要在较低的温度并经历较 长时间才开始转变。 钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，因此连续冷却转变曲线对热处 理生产具有直接指导作用，但由于c c t 图的测定比较困难，至今实测的c c t 图远 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 少于t t t 图的数量。 1 4 2 影响c c t 图的因素 影响过冷奥氏体连续冷却转变曲线的形状和位置的因素较多，主要有钢的化 学成分、奥氏体的状态等。 1 4 2 1 碳含量的影响 由亚共析钢、共析钢和过共析钢的c c t 图( 图1 2 、1 3 、1 4 ) 可知，亚共 析钢的c c t 图多出一条先共析铁素体线，而且其铁素体一珠光体转变部分随奥 氏体中含碳量的增加逐渐向右移。过共析钢的c c t 图中多出一条先共析渗碳体 线，其渗碳体一珠光体转变部分随含碳量的增加逐渐向左移，贝氏体转变部分则 随含碳量的增加向右移。另外，随奥氏体中含碳量的增加，m 。点及m f 点降低。 1 4 2 2 奥氏体状态的影响 细小的奥氏体晶粒，使晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散， 因而有利于先共析转变和珠光体转变，使珠光体转变曲线左移，使m 。点升高， 加快马氏体转变，但是晶粒度对贝氏体转变的影响不大。奥氏体的均匀程度对过 冷奥氏体连续冷却转变曲线的位置也有影响，奥氏体成分越均匀，奥氏体就越稳 定，新相形核和长大过程所需要的时间就越长，过冷奥氏体连续冷却转变曲线就 越往右移。此外，奥氏体在高温或低温进行形变也会显著影响珠光体转变速度， 因为形变会细化奥氏体晶粒，或者增加亚结构，一般来说，形变量越大，奥氏体 向珠光体转变速度越快，珠光体转变线越向左移。 1 4 2 3 合金元素的影响 一般来说，除c o 和a i ( a l 2 5 ) 以外，所有合金元素溶入奥氏体后都增 加过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移，并使m s 点降低。 c o 降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线左移，m s 点升高。 c r 、m o 、w 、v 、t i 等碳化物形成元素，溶入奥氏体后，除在不同程度上降低 珠光体和贝氏体的转变速度，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移外，还能改变 其形状。非碳化物或弱碳化物形成元素n i 、m n 、s i 、c u 、b 等，都不同程度地 降低珠光体和贝氏体的转变速度，使过冷奥氏体连续转变向右移动，但不改变其 形状。 如果钢中同时含有几种合金元素，其综合作用比单一元素的作用更加复杂。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 3c c t 图的测定方法 测定钢的过冷奥氏体转变曲线有各种不同的方法，常用的方法有膨胀法、金 相法和硬度法。测试的主要内容包括临界点氏l 和氏3 ( 或a r 卜a r 3 ) 、马氏体开 始转变温度m s 点，还要研究过冷奥氏体以不同的冷却速度连续冷却时，在八l 点至m s 点之间的转变过程。把每一冷却速度下的转变开始点、转变终了点以及 中间某一程度转变量的对应时间和冷却曲线等描绘在“温度一时间”坐标上，而 后把那些开始点、终了点及中间某个转变量点，即意义相同的点分别连成连续光 滑的曲线，再绘出冷却曲线和标明硬度值，就构成了完整的过冷奥氏体连续冷却 转变曲线。 。： 1 4 3 1 膨胀法 钢的组织变化往往引起其物理性能的变化，可以利用钢物理性能的变化来研 究其组织变化。当钢发生固态相变时，常伴有体积的不连续变化，钢中各相的比 容关系依如下顺序依次递增：奥氏体，铁素体，珠光体，贝氏体，马氏体。如果 有相变发生，则由于新旧两相结构不同、比容不同，材料的体积将发生不连续变 化，因而热膨胀曲线在相变发生的温度处形成拐点，据此可以确定相变点。 从膨胀曲线上确定不同冷却速度对应的相变温度点，通常有极值法、切线法、 平均法等方法。极值法又叫峰值法，取曲线转折率部分的极大值或极小值的位置 做平行于温度轴的直线，其与曲线相切点所对应的温度是为极大值或极小值，使 之作为相变温度，切点是膨胀曲线圆化后出现最小曲率半径的拐点。把热膨胀曲 线上的纯热膨胀( 或纯冷收缩) 的直线段延长，以曲线开始偏离的位置即切点所 对应的温度作为相变点( 即临界点) 的方法称为切线法。将曲线圆化后，出现拐 点，以两边直线部分延长所形成夹角的等分线，与曲线的交点，作为相变点，其 对应温度为相变温度，这种方法为平均法。 极值法的优点是判断相变温度的位置准确，切合实际，而且容易分析和比较 数据。切线法的优点是符合金属学原理，只是判断相变温度的位置很容易受观测 者的主观因素影响，但是对工业应用有足够高的准确度，使用也很方便。 1 4 3 2 金相硬度法 膨胀法只能从膨胀曲线分析奥氏体转变产物的类型和数量，当转变量较少 时，在膨胀曲线上相变点不明显，因而测量的准确度受到影响。而且，用膨胀法 测定c c t 图时，个别低碳钢和低合金钢的珠光体转变开始温度在膨胀曲线上反 映不是很明显，膨胀法辅以金相法和硬度法，可以帮助确定珠光体转变开始线。 1 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大，而当试样放热 时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差t 消失为止。换句话 说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实 际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t 的变化d i - i d t t 关系。如果升温速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度t 的变化d h d t t 关系如图1 5 所示。其峰面积s 正比于热焓的变化，即a h m = k s ，k 为与温 度无关的仪器常数。 如果事先用已知相变热的试样标定仪器常数，再根据待测试样的峰面积，就 可得到h 的绝对值。 d d t 图1 - 5d s c 曲线示意图 差示扫描量热法可以直接测量热量，而且由于试样的热量变化随时可得到补 偿，试样与参比物的温度始终相等，避免了参比物与试样之间的热传递，故仪器 的反应灵敏，分辨率高，重现性好。 1 4 4c c t 图的应用 钢的正火、退火、淬火等热处理以及钢在铸、锻、焊后的冷却都是从高温连 续冷却至低温，因此c c t 图对钢材生产具有直接指导作用。 1 4 4 1 获取钢的临界淬火速度 钢的临界淬火速度是过冷奥氏体不发生分解直接得到全部马氏体( 含残余奥 氏体) 的最低冷却速度，可以直接从c c t 图获得。钢的临界淬火速度与c c t 图 的形状和位置有关，如果钢的c c t 图中珠光体转变孕育期较短，而贝氏体转变 孕育期较长，其临界淬火速度可用与c c t 图中珠光体开始转变线相切的冷却曲 1 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 5 塑料模具钢热处理制度 模具钢的热处理温度范围都比较窄，回火温度一般在二次硬化峰以上，正好 是硬度和强度快速下降的区域，只有严格控制热处理温度的精确性，才能保证模 具所要求的性能。塑料模具钢热处理的基本工艺为退火一淬火一回火。 1 5 1 退火 钢锭( 坯) 退火的目的是为了改善钢锭凝固过程中发生的偏析，使模件的硬度 降低，消除由于温度和组织的变化而产生的内应力，防止裂纹产生。把模件加热 到临界温度以上，亚共析钢一般为h 3 + ( 3 0 - - 5 0 c ) ，共析钢和过共析钢一般为 气l + ( 2 0 - 3 0 c ) ，保温一定时间后使其缓冷，获得接近平衡状态组织。 1 5 2 淬火 淬火时将钢加热到氏l 或氏3 以上给定的温度并保温一定时间，然后将其快速 冷却。钢自奥氏体化温度冷却下来，在等温转变“鼻子”以下的不同温度范围内 停留，将发生不同的组织转变，形成贝氏体或马氏体或贝氏体+ 马氏体及少量残 余奥氏体。要获得满意的淬火组织，必须控制加热温度、保温时间和冷却条件。 淬火温度主要取决于钢的化学成分，选择在高于氏l 或a c 3 点3 0 7 0 之间加热奥 氏体化，亚共析钢的淬火温度应为a c 3 + ( 3 0 - - 7 0 c ) ，若温度在a 。l 至a c 3 之间( 亚温 淬火) ，淬火组织中会存在较软的铁素体，使钢的硬度不足，但若在& 3 以上太高 的温度加热，奥氏体晶粒粗大，淬火后得到粗大的马氏体组织，而且淬火易于变 形甚至开裂。对某些含有强烈碳化物形成元素铬、钼、钨和钒等的模具钢，其奥 氏体化温度必须达到能使这些碳化物充分溶解的温度，因此这类模具钢的淬火温 度都选择的高一些。控制保温时间是为了在工件升温达到奥氏体化温度后，使合 金元素充分溶解和扩散均匀，保证钢的奥氏体均匀化。冷却是为了在工件加热到 奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速迅速冷却，获得马氏体或所要求的组织。 1 5 3 回火 回火是把淬火钢在氏l 以下温度加热保温后，以适当的速度冷却，达到需要 的综合机械性能。淬火获得马氏体和部分残余奥氏体以及碳化物组织，其中所形 成的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的，将会继续转变，淬火形成的淬火应力 可能导致变形和开裂，因此必须通过回火使其组织转变为稳定的回火组织，使残 余奥氏体分解，同时消除淬火产生的残余应力，增加模具钢的韧性和塑性。： 模具钢的回火温度主要取决于其硬度要求，对要求高韧性或具有二次硬化特 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 性的合金模具钢，回火通常在5 0 0 6 5 0 。c 之间进行，除消除淬火应力外，钢的组 织亦发生变化，有些钢种还伴有贝氏体形成和碳化物析出，钢的硬度也略有下降， 其综合性能得到较大的改善。 1 6 本课题研究意义以及研究内容 3 c r 2 m o 钢是国内较早开发的塑料模具钢，与a i s i p 2 0 相当，由于其具有综 合力学性能好，淬透性好，抛光性能好等优点，是国内日前应用最多的钢种之一， 其用量正在日益增加。如何充分发挥其潜在的优势，使其性能更加稳定，如何在 大型的截面上获得更加均匀的性能，使其性能达到甚至超过同类进口钢的水平， 是急待解决的课题。受生产厂家委托，对3 c r 2 m o 钢的热处理及机理进行研究， 以生产出符合市场需求的高质量的3 c r 2 m o 钢板，从而达到满足产品市场定位的 要求。主要研究内容如下： 1 对出厂态3 c r 2 m o 钢板进行质量分析，测定其硬度均匀性、物理性能、常 温拉伸性能和冲击性能，分析其显微组织以及非金属夹杂类型； 2 测定3 c r 2 m o 钢的c c t 图，分析不同冷却速度下钢的转变产物，阐明组织 及硬度与冷却速度变化的关系，确定组织转变的临界冷却速度，为确定合理的热 处理工艺提供依据； 3 根据实验测定的c c t 图，制定相应热处理工艺，并对热处理机理进行研 究，主要讨论淬火温度、回火温度以及回火保温时间对组织、常规力学性能及冲 击性能的影响。 2 l 中南大学硕士学位论文 第二章实验内容和方法 2 1 实验材料 第二章实验内容和方法 实验所用材料为厂方提供的3 c r 2 m o 热轧钢板，板厚8 0 m m ，表2 1 为其化 学成分。 耙13 c r 2 m o 钢的化学成分 元素cs i m npsc rm o a l r 1 7 50 4 5 0 0 3 0 质量分数( w t ) o 3 60 5 01 1 55 0 0 1 5 郢0 0 3 2 2 物理参数测定 热膨胀系数采用顶杆法测量，测试温度范围为1 8 - - 4 0 0 ( 2 ，试样尺寸为5x 2 0 m m 。采用共振法测常温弹性模量，试样尺寸为5 x1 5 0 m m ，先用游标卡尺 和螺旋测微器分别精确测出试样的长度和直径，用天平称出质量，然后用最大值 法和李萨如图形法测出共振频率，最后计算出弹性模量。 2 3 过冷奥氏体连续冷却实验 实验采用膨胀法并结合金相一硬度法以及d s c 热分析法来确定实验钢的相 变温度。 采用d s c 热分析法测定该实验钢的临界转变温度氏l 和氏3 以及低速冷却时 的相变点( 如5 s ) 。实验样品以5 0 k m i n