淬火溫度對P20鋼組織性能的影響

李 勇，雷文華，周 毅

(西藏大學理學院 西藏拉薩850000)

淬火溫度對P20鋼組織性能的影響

李 勇，雷文華，周 毅

(西藏大學理學院 西藏拉薩850000)

利用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡研究了P20塑料模具鋼淬火組織，并用洛氏硬度計測定了硬度隨淬火溫度的變化情況。P20鋼經830～920,℃淬火得到板條馬氏體，淬火后晶粒尺寸隨淬火溫度的升高有粗化趨勢但并不明顯，直到890,℃以后才明顯粗化，因此對P20鋼進行熱處理的淬火溫度應低于890,℃。

P20鋼 淬火 微觀組織 硬度

P20鋼是一種預硬型塑料模具鋼，主要用于塑料模具的制造。鋼廠生產的P20鋼原始組織為珠光體，將原鋼進行模具加工前需進行預硬化處理。[1-2]由于淬火后的組織性能對其預硬化的質量具有重大影響，因此本文對 P20鋼的淬火組織性能進行了研究，以期能夠對 P20鋼預硬化工藝中的淬火溫度控制提供依據和參考。

1 試驗材料與方法

P20鋼主要元素組成為：0.28%,～0.40%, C、0.20%,～0.80%, Si、1.40%,～2.00%, Cr、0.60%,～1.00%, Mn、0.30%,～0.55%, Mo。實驗前把試料加工成20,mm×20,mm×20,mm試塊，共加工6塊，取其中的 1塊進行金相觀察，另外 5塊分別在 800,℃、830,℃、860,℃、890,℃、920,℃下保溫 30,min淬火，淬火后進行微觀組織觀察和硬度測定。金相試樣采用金剛石拋光膏手動拋光，最后采用 4%,硝酸乙醇溶液腐蝕拋光面。觀察微觀組織所用掃描電子顯微鏡為JSM-5610LV，金相顯微鏡為OLYMPUS BX51，使用 TH300洛氏硬度計進行洛氏硬度測試，采用金剛石壓頭，載荷為150,Kgf，保持時間為2,s。

2 試驗結果及討論

2.1 淬火溫度對P20鋼微觀組織的影響

圖 1(a)為淬火前原始材料的金相照片，圖 1(b)為淬火前原始材料的掃描電鏡照片。結合光學及掃描電鏡結果，很容易確定試樣淬火前的組織主要為粒狀珠光體及層片狀珠光體，該組織硬度較低，洛氏硬度僅為11,HRC。

圖1 P20鋼原始顯微組織(OM SEM)Fig.1 Original microstructures of P20 steel(OM SEM)

圖 2為不同溫度下的淬火組織，其中圖 2(a)為860,℃淬火 SEM 照片，圖 2(b-f)為 P20鋼分別在800,℃、830,℃、860,℃、890,℃、920,℃淬火得到的金相顯微鏡照片。結合掃描電鏡及金相顯微鏡照片，可知 P20鋼在高于 830,℃淬火后基本可以獲得全部馬氏體組織，所得馬氏體組織主要為板條狀馬氏體，同時也有少量針片狀馬氏體；低于830,℃淬火所得組織應為貝氏體和馬氏體混合相間的組織，而且可以觀察到馬氏體板條隨淬火溫度的升高有變粗大的趨勢，但趨勢并不明顯，直到890,℃以后才粗化。

圖2 P20鋼不同溫度淬火的顯微組織(SEM OM)Fig.2 Microstructures of P20 steel quenched at different temperatures(SEM OM)

圖 3是 830～920,℃淬火溫度下的晶粒度照片，可以看到，890,℃以前隨淬火溫度升高晶粒增大的趨勢并不明顯，晶界也不夠清晰，但到 890,℃以后晶粒增大趨勢變得明顯，晶界也變得清晰。當奧氏體化溫度升高至920,℃時，整個視場幾乎全是已經長大的晶粒，這些晶粒的晶界都比較平直，晶界間夾角接近120 °，說明晶粒已經得到充分生長。晶粒度的這一變化趨勢與馬氏體組織隨淬火溫度升高的粗化趨勢的實驗結果是完全一致的。

圖3 P20鋼不同溫度淬火的晶粒度(OM)Fig.3 Grain sizes of P20 steel quenched at different temperatures(OM)

圖 4是 P20鋼硬度隨淬火溫度的變化曲線。由圖可見，830,℃以前硬度隨淬火溫度的升高快速增加，在 830～920,℃的溫度區間，隨著淬火溫度的升高硬度基本不變，維持在52,HRC左右。

圖4 硬度隨淬火溫度的變化曲線Fig.4 The change quenching hardness curve of P20 steel quenched at different temperatures

根據金相圖片分析可知，830,℃以前，硬度隨淬火溫度升高快速增加的原因在于：隨淬火溫度的升高，淬火組織中馬氏體組織迅速增多。繼續升高淬火溫度，淬火組織基本全是馬氏體，此時隨淬火溫度升高，在奧氏體化的過程中，碳及合金元素會更多地固溶入奧氏體，致使淬火形成的馬氏體碳含量增多，造成淬火硬度繼續升高。但由于 P20鋼所含的 Mo、Cr元素形成的碳化物比較穩定，難以固溶，因此通過增加奧氏體化溫度并沒有明顯提高馬氏體碳含量，并不能明顯提高馬氏體硬度，因此硬度基本維持在52,HRC左右。[4-5]

3 結 論

根據上述實驗，對于 P20鋼來說，淬火溫度如果高于 890,℃，會導致奧氏體晶粒過于粗大，從而引起淬火馬氏體粗化，這將損害材料的力學性能，因此P20鋼淬火溫度不應高于890,℃。但由于P20鋼所含的 Mo、Cr元素形成的碳化物比較穩定，難以固溶，因此應適當提高淬火溫度以保證合金元素的充分固溶。■

［1］ 楊俊秋. 模具新材料在塑料模中的應用及展望[J]. 模具制造，2007(3)：64-66.

［2］ 羅毅，吳曉春. 預硬型塑料模具鋼的研究進展[J]. 金屬材料熱處理，2007，32(12)：22-25.

［3］ 趙昌盛. 模具材料及熱處理手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2008：421-423.

［4］ 趙建生，喬學亮，孫培禎，等. 大截面預硬型塑料模具鋼 P20BSCa的組織與性能[J]. 機械工程材料，1995，19(3)：43-58.

Effect of Quenching Temperature on Microstructure and Properties of P20 Steel

LI Yong，LEI Wenhua，ZHOU Yi
(Science College of Tibet University，Lhasa 850000，Tibet Autonomous Region，China)

The quenching microstructure of P20 steel was investigated with scanning electronic microscope and metallurgical microscope．The quenched hardness at different temperatures was measured with Rockwell hardmeter．The experimental results show that the lath martensite has been attained after the steel quenched from 830,℃ to 920,℃ and the grains of steel gradually increase with the elevation of quenching temperatare，however the increase of size is not obvious until the temperature is higher than 890,℃．So the better quenching temperature of heat-treated P20 steel shoud be lower than 890,℃。

P20 steel；quenching；microstructure；hardness

TG113

A

1006-8945(2016)02-0022-03

2016-01-11