預硬化型合金模具鋼板P20LL回火工藝與組織

胡喜恩，馬曉妹，張　敏，馬曉旭（江西新余鋼鐵公司檢測中心，江西新余338028）

預硬化型合金模具鋼板P20LL回火工藝與組織

胡喜恩，馬曉妹，張敏，馬曉旭
（江西新余鋼鐵公司檢測中心，江西新余338028）

為改善預硬化型模具鋼板心部組織，提高鋼板探傷合格率，采用不同回火工藝，對在熱軋生產線上預硬化的厚度80 mm的合金模具鋼P20LL鋼板進行了回火試驗研究。試驗結果表明，采用580℃×（5~7.5）h的回火工藝可以使厚度80mm的P20LL在線預硬化模具鋼板獲得較為理想的組織。

模具鋼板；回火；組織；硬度；裂紋

1　引言

合金模具鋼的熱處理是保證模具性能的重要工藝過程，熱處理后的組織轉變不均勻、不徹底及熱處理形成的殘余應力過大等，會造成模具在熱處理后的加工、裝配和使用過程中的變形，開裂。預硬化熱處理后的鋼板要求硬度在30HRC左右，整個截面上硬度性能均勻，加工成模具后不易產生變形等缺陷，并保證良好的加工性能。某公司生產的P20LL鋼在熱軋生產線空冷后進行預硬化熱處理回火后探傷檢測，結果為部分鋼板心部局部有面積缺陷，主要為微裂紋；經理化檢測分析：該公司生產的P20LL鋼加入了Cr、Mn、Mo等合金元素，鋼板心部存在C、Mn等成分偏析，心部常會出現組織轉變不均勻、不徹底，導致硬度不均勻和微裂紋的產生。本文通過不同回火工藝模擬試驗，以及顯微組織和硬度檢測分析，從而指導熱軋生產線空冷后選擇合理預硬化熱處理回火工藝。

2　試驗材料及方法

試驗材料為P20LL鋼，其化學成分（質量分數，%）0.40C，1.45Mn，0.002S，0.016P，0.36Si，1.90Cr，0.11Mo。在一鋼板規格80 mm×2 200 mm×9 750 mm，探傷檢測面積缺陷報警區取樣塊：80 mm×400 mm×500 mm，再將樣塊加工成15個試樣，試樣尺寸：鋼板厚度80 mm×高20 mm×寬20 mm，試樣狀態為熱軋生產線空冷后已預硬化熱處理回火（后面簡稱熱軋態）：正火900℃+回火570℃×3.5 h。15個試樣回火工藝模擬參數見表1，試驗設備有：熱處理爐是SX2-4-10電阻爐、AX10金相顯微鏡、Leica顯微維氏硬度計、HR-150A洛氏硬度計。

3　試驗結果

3.1顯微組織分析

由于P20LL鋼板心部存在一些成分偏析，熱軋態試樣心部存在組織轉變不均勻、不徹底，試樣心部數個微小區域組織為片狀馬氏體+殘余奧氏體，基體組織為貝氏體，見圖1。根據表1進行回火后，組織轉變見圖2，從圖2組織轉變分析：8～15號樣殘余奧氏體有較明顯碳化物析出，1～7號樣殘余奧氏體中在光學顯微鏡下觀察沒有明顯碳化物析出。

3.2鋼板心部成分能譜分析

圖1　熱軋態心部組織

圖2　不同回火工藝組織轉變

由圖1、圖2可見，鋼板心部偏析區域都伴有短條狀深灰色夾雜存在。對該夾雜進行能譜分析，結果見圖3，夾雜主要成分為MnS。

3.3顯微維氏硬度分析

分別對熱軋態和15個回火試樣的心部偏析區域（馬氏體+殘余奧氏體，表中簡稱a區）及毗鄰基體貝氏體組織（表中簡稱b區）測試維氏硬度值（HV0.1），測試結果見表2。由表2可以看出：8～15號樣心部兩種組織的維氏硬度差值＜150 HV0.1。熱軋態差值最大為317 HV0.1。

3.4洛氏硬度分析

由于合金模具鋼P20LL要求整個截面上硬度性能均勻，分別對熱軋態和15個回火試樣厚度的1/4處和1/2處及表層進行洛氏硬度值測試，結果見表3。表3表明：11～15號樣洛氏硬度損耗較大，洛氏硬度值比熱軋態明顯減小。

表1　試樣回火及保溫時間

4　試驗結果分析及討論

由顯微組織及能譜分析結果可見：鋼板心部存在微小區域的成分偏析，且偏析區都存在MnS夾雜物，鋼板心部MnS夾雜的危害容易造成Mn元素偏析[1]，導致Mn元素正偏析處與鋼板基體部位的馬氏體/貝氏體的臨界冷卻速度及轉變溫度不一致，在軋后的冷卻過程中，偏析部位轉變成馬氏體+殘余奧氏體組織，基體轉變成貝氏體，兩種組織產生了較大的組織應力。另外，根據熱軋態試樣心部中兩種組織的維氏硬度值相差317 HV0.1，金相組織觀察可知，發生裂紋的位置在馬氏體組織區，且該組織的硬度和強度均較高，而隨著強度的升高材料對氫脆裂紋的敏感性必然增大[2]，故鋼板心部偏析區域——馬氏體+殘余奧氏體組織區是裂紋敏感區。

由于P20LL鋼預硬化熱處理后要求硬度為30 HRC左右，整個截面上硬度均勻；P20LL由于加入了Cr、Mn、Mo等合金元素，其淬透性好，故防止鋼板心部延遲裂紋的產生顯得尤為重要，從不同的回火工藝、顯微組織、維氏硬度值及試樣橫截面洛氏硬度值分析：8～15號樣殘余奧氏體有較明顯碳化物析出，1～7號樣殘余奧氏體中在光學顯微鏡下觀察沒有明顯碳化物析出；8～15號樣心部兩種組織的維氏硬度差值＜150 HV0.1。1～6號樣兩種組織的維氏硬度差值＞200 HV0.1；1～10試樣橫截面洛氏硬度值損耗不大，與熱軋態相近。11～15號樣洛氏硬度值損耗較大。

表2　顯微組織維氏硬度值（HV0.1）

表3　洛氏硬度值

5　結論

為了保證P20LL鋼板預硬化熱處理后的硬度要求和整個截面上硬度均勻性，以及防止組織應力產生的延遲裂紋，P20LL試樣尺寸：鋼板厚度80 mm×高20 mm×寬20 mm，在熱軋生產線空冷后已預硬化熱處理回火后再補償回火工藝為580± 10℃×（20～60）min較為理想；根據厚度參數計算：規格80 mm的P20LL鋼板補償回火工藝為580± 10℃×（80～240）min，轉換成小時：約1.5～4 h，加上鋼板熱軋態回火工藝為570℃×3.5 h；計算可得：在熱軋生產線空冷后預硬化熱處理回火工藝較為理想的選擇為580±10℃×（5～7.5）h。

建議降低剛中易偏析元素S、P含量，減少心部MnS夾雜；調整合適的在線預硬化熱處理工藝，減輕組織轉變不均勻、組織應力過大；優化回火工藝，防止組織應力延遲裂紋的產生。

[1]許慶太，王文仲.連鑄鋼坯低倍檢驗和缺陷圖譜[M].北京：中國標準出版社，2009.

[2]陶春虎.高品質鋼鐵材料失效分析培訓班教材——環境介質作用下的失效分析[M].北京：中國金屬學會，2013.

Analysis on Tem pering Structure and Internal Crack of P20LL Pre-hardening Alloy Die Plate

HU Xi-en,MA Xiao-mei,ZHANG Min and MA Xiao-xu
(Inspection Center of Jiangxi Xinyu Iron and Steel Company,Xinyu,Jiangxi Province 338028,China)

In order to improvemicrostructure in the center of steel plate and plate qualification rate at detection,different tempering processes were adopted for P20LL pre-hardening alloy die plate with 80 mm thickness.Test showed the ideal tempering process for P20LL plate with 80mm thickness in online pre-hardening treatmentwas 580℃×（5～7.5）h.

die plate;tempering;structure;hardness;crack

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.003

2015-10-18

2015-11-02

胡喜恩（1962—），男，本科，工程師，主要從事煉鋼生產技術管理工作。