1.2738模塊預硬化后大面表層硬度偏軟問題分析

汝亞彬，胡永才，曹麗紅，劉 明，秋立鵬，劉寶石，于宗洋，鄭繼輝，唐 亮

1.撫順特殊鋼股份有限公司（遼寧撫順 113001）

2.東北特鋼集團（遼寧大連 116024）

1 引言

近年來，我國模具工業發展迅速，產量已躍居世界前列，其中占主體的是塑料成型模具，用量較大的塑料模具鋼主要有P20、718、1.2738等預硬化鋼，適宜于制造大中型、精密的塑料模具。撫順特殊鋼股份有限公司是國內大型預硬化塑料模具鋼的主要生產廠家之一，保證大模塊硬度均勻性是關鍵技術難點，撫鋼采用“水-空交替控時淬火冷卻技術”對大模塊進行淬火冷卻處理，回火后模塊整體硬度均勻，但模塊大面表層出現硬度偏軟現象，本文針對該現象，重點研究硬度偏軟產生的原因及后期工藝改進處理。

2 試驗材料

1.2738 預硬化模塊生產工藝流程為：UHP+LF+VD→模鑄27t大錠→35MN快鍛機成材→模塊預硬化處理，其化學成分如表1所示。

表1 1.2738鋼的化學成分（質量分數）

3 試驗結果

1.2738 模塊標準要求交貨硬度為32～37HRC，預硬化后按標準檢驗模塊頭尾端面9點硬度（角部4點、對角1/4處4點、中心1點）全部符合標準要求，但用戶在檢驗該9點硬度后，又增加了模塊大面表層往里約30mm左右的硬度檢驗，模塊硬度檢驗具體示意如圖1、圖2所示，發現有約占當期供貨50%左右的模塊存在硬度低于標準下限現象，硬度檢驗值如圖3、圖4所示，據圖3、圖4可以看出，模塊按標準要求檢驗模塊端面9點硬度是符合標準要求的，但用戶增加了大面表層往里約30mm左右的硬度檢驗，結果發現有硬度偏軟現象。

圖1 1.2738模塊標準要求檢驗硬度

圖2 用戶硬度檢驗方式

圖3 1.2738模塊端面頭部硬度檢驗值

圖4 1.2738模塊端面尾部硬度檢驗值

4 原因分析

對1.2738模塊硬度偏軟處取金相試樣進行組織分析，發現模塊預硬化后大面表層往里約30mm內出現大量黑色異常組織，正常1.2738模塊預硬化后得到的組織是貝氏體組織，但硬度偏軟處除貝氏體組織外有大量的黑色異常組織存在，模塊大面表層往里不同位置金相組織照片如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 模塊大面表層往里10mm處金相組織a——100倍 b——500倍

圖6 模塊大面表層往里20mm處金相組織a——100倍 b——500倍

圖7 模塊大面表層往里30mm處金相組織a——100倍 b——500倍

圖8 模塊大面表層往里40mm處金相組織a——100倍 b——500倍

據圖5、圖6、圖7、圖8所示，黑色異常組織在模塊大面表層往里10mm、20mm左右處最多；模塊大面表層往里30mm處黑色組織明顯減少；模塊大面表層往里40mm處黑色組織基本消失，組織均為模塊預硬化后得到的正常貝氏體組織，此處的硬度值檢驗也符合標準要求，因此模塊預硬化后大面表層往里一定距離內出現硬度偏軟現象是由于得到黑色的異常組織所造成的。

黑色異常組織即為屈氏體組織，是屬于珠光體組織的一種。根據片間距（珠光體團中相鄰兩片滲碳體或鐵素體之間的距離稱為珠光體的片間距）的大小，可將珠光體分為3類：片間距為0.6～1.0μm，稱為珠光體；片間距較細，約為0.25～0.3μm，只有在高倍光學顯微鏡下才能分辨出鐵素體和滲碳體的片層形態，這種細片狀珠光體又稱作索氏體；片間距極細，只有0.1～0.15μm，在光學顯微鏡下無法分辨其片層狀特征而呈黑色，如圖5～圖7所示，只有在電子顯微鏡下才能區分出來，這種極細的珠光體又稱為屈氏體組織，是奧氏體在冷卻時得到的不平衡組織[1]。

5 黑色異常組織即屈氏體組織產生原因分析

5.1 模塊淬水工藝概述

1.2738 模塊預硬化淬火工藝采用“水-空交替控時淬火冷卻技術”進行淬火冷卻，圖9是工件的表層、次表層和心部在水與空氣為介質的交替控時淬火冷卻過程中的冷卻曲線示意圖。淬火冷卻分3個階段進行，第1階段為預冷階段，第2階段為水-空交替淬火冷卻階段，第3階段為自然空冷階段。在預冷階段，工件采取空冷的方式進行緩慢冷卻，直到工件表層冷卻到A1以上或以下的某一溫度區間，其結果是減少了工件的熱容量，加速了第2階段的冷卻效果。在水-空交替淬火冷卻階段，采用快冷（水冷）與慢冷（空冷）交替的方式進行，工件在第1次水淬過程中，工件表層快冷到Ms點以下某一溫度并保持一定時間后，在表層獲得部分馬氏體，工件在第1次空冷過程中，次表層的熱量傳向表層，使表層的溫度升高，結果是表層剛剛轉變的馬氏體發生自回火使表層的韌性和應力狀態得到調整，避免了表層馬氏體組織產生開裂。然后再重復水與空氣的交替淬火冷卻，直到工件某一部位的溫度或組織達到要求。完成第2階段淬火冷卻后，將工件放置在空氣中進行自然冷卻，直到工件的心部溫度低于某一值后進行回火。水-空交替控時淬火冷卻技術的核心是借助數值模擬和物理模擬確定工藝，選擇水和空氣作為介質，采用具有噴液、浸液、噴霧、風冷和空冷等功能組合的淬火冷卻設備，在計算機控制下執行工藝，最終獲得要求的組織與性能[2]。

圖9 水-空交替控時淬火冷卻過程中各部位冷卻曲線示意圖

5.2 屈氏體異常組織產生原因及工藝改進措施

圖10 是1.2738模塊采用“水-空交替控時淬火冷卻技術”冷卻后在厚度方向的表層、次表層和中心不同不同部位沿截面的冷卻曲線示意圖。工藝為“預冷+噴水+空冷+噴水+空冷+噴水+…”組合，是通過數值模擬確定的，并且通過計算機控制的淬火槽予以實現[2]。

圖10 1.2738模具鋼采用水-空交替控時淬火冷卻技術淬火各部位的冷卻曲線示意圖

在預冷過程中，棱角（A）、棱邊（B）和表層（C）的溫度降低到過冷奧氏體不穩定的溫度范圍之后，該處的冷卻曲線趨于平緩，此時會形成大量的屈氏體（珠光體），目的是為了消除棱角、邊和表層在隨后噴水時開裂的危險，“水-空交替控時淬火冷卻技術”是考慮到塑料模具的制造是在模塊內部加工成型腔，而模塊的棱角和棱邊并非工作面，所以對于大型塑料模塊通過預冷使棱角、棱邊、表層先轉變為珠光體但并不會影響塑料模的使用性能。當然預冷時間需適當控制，使珠光體只出現在棱角、棱邊和表層的小范圍內。從圖10的冷卻曲線E可以看出，預冷后，中軸線的表層溫度仍保持在700℃以上，還沒有進入到過冷奧氏體不穩定的溫度范圍，隨后水冷就可以避免發生珠光體轉變，獲得馬氏體和貝氏體組織。

由于大模塊實際生產中，模塊到溫從加熱爐出爐運送到淬火設備時本身就需要一定的時間（大約6～10min），再加上工藝本身要求的預冷時間，總體上預冷時間過長，因此造成了預冷時間過長而在模塊表層往里一定的距離產生了屈氏體，由于客戶對模塊使用要求越來越嚴格，這種表層硬度與模塊本身的硬度存在一定的差別，會影響客戶使用。因此根據實際模塊淬水時實際生產情況，取消原有模塊淬水時的預冷階段，當模塊從加熱爐出爐經過一段時間運送到淬火設備后，直接進行第二階段，這樣避免由于預冷時間過長而導致模塊表層往里一定的距離內產生屈氏體的現象，后期1.2738模塊在取消預冷后進行淬火處理后未再出現模塊大面表層往里一定距離偏軟現象。

6 結論

（1）1.2738模塊預硬化后得到黑色異常屈氏體組織是造成模塊大面表層往里一定距離內硬度偏軟的原因。

（2）1.2738模塊淬火時采用“水-空交替控時淬火冷卻技術”進行冷卻，在第一階段預冷過程中由于棱角、棱邊和表層的溫度降低到過冷奧氏體不穩定的溫度范圍之后會形成大量的屈氏體組織。

（3）取消預冷后，后期生產的1.2738模塊預硬化后未再出現模塊大面表層往里一定距離內硬度偏軟現象。