大規格38CrMoAl 注塑機用鋼硬度偏高原因分析研究

陳 穎

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

38CrMoAl 是高鋁鋼，Al 在鋼中是一種氮化物形成元素，鑄件經滲氮處理后，表面形成氮化鋁層（AlN），依靠AlN 的彌散強化來提高鑄件表面的硬度和強度[1，2]。經熱處理和精加工后的38CrMoAl 圓鋼具有良好的品質，在塑料模具鋼應用中占有重要地位[3]，國內外對其生產[4，5]和加工[6]進行了深入研究。

某鋼鐵廠生產的38CrMoAl 大規格（直徑在Φ85mm 以上）注塑機用圓鋼要求硬度低于HB255，但在實際生產中由于材料本身特性和生產工藝特點，造成硬度普遍超標嚴重。這對該廠產品形象和聲譽造成了一定的負面影響，因此有必要對38CrMoAl 生產工藝進行研究。Gleeble 熱模擬技術是一種成熟的實驗手段，在材料性能研究及冶金過程模擬中占有重要地位[7,8]。在冶金成份相對固定的條件下，冷卻和熱軋溫度對硬度的影響較為突出，本次研究采用Gleeble 熱模擬儀對上述兩個方面進了模擬分析研究。

1 試驗材料及方法

本試驗所用38CrMoAl 為Ф90mm 棒材，同一軋制號取多支試樣。試驗鋼的成分如表1 所示。

表1 試驗鋼化學成分（wt，%）

根據現場38CrMoAl 質量計劃，制定了Gleeble3800 熱模擬儀試驗方案，并對試驗結果試樣進了金相和硬度分析。

2 實驗結果與分析

2.1 動態CCT 曲線研究

利用Gleeble3800 研究38CrMoAl 的動態CCT 曲線，研究不同冷卻速度條件下鋼的組織以及相轉變溫度，測量其布氏硬度，確定不同冷速對鋼材組織和硬度的影響。根據現場38CrMoAl 質量計劃，軋制過程中要求終軋溫度控制在900℃～1050℃。熱模擬實驗時取其中間值，軋件變形溫度設定在980℃。熱模擬實驗工藝為：將試樣以20℃/s 的速度加熱到1250℃，保溫10min，以15℃/s 的冷速降到980℃變形，應變量為0.5，應變速率為6s-1。以15℃/s 的冷速降到820℃，然后以不同的冷卻速度冷卻到相變完成。具體工藝如圖1 所示。

圖1 熱模擬工藝圖

不同冷卻速度條件下得到的鋼的組織和硬度如圖2 所示。

圖2 實驗鋼在不同冷速下的組織及其硬度

根據金相檢驗結果可以看出，要想鋼的硬度較低，鋼的組織最好是全部的鐵素體+珠光體，要達到這一目標，鋼的冷卻速度最好在600℃/h 以下。

生產現場測量Ф90mm 圓鋼軋后冷卻速度發現，當圓鋼終軋溫度在1050℃左右時，鋼材上冷床的溫度在780℃左右，下冷床溫度在490℃左右。鋼材上冷床（780℃左右）到下冷床（490℃左右），其冷卻速度在0.15℃/s ～0.3℃/s 范圍內。對比熱模擬試驗金相結果可以看出，此時鋼的組織應該主要是鐵素體+珠光體，且鋼的組織轉變基本上應該都是在冷床上完成。

從現場情況和熱模擬金相結果看，受冷床條件所限，鋼材入緩冷坑溫度很難達到珠光體轉變溫度以上，因而要想通過提高鋼材入緩冷坑溫度的方法來達到控制鋼的相變過程，使鋼的組織轉變為鐵素體+珠光體，從而降低鋼材的硬度是無法實現的，必須通過其它工藝措施來實現降低鋼材硬度的目的。

圖3 冷速為800℃/h 時鋼的連續冷卻轉變曲線

2.2 變形溫度對鋼組織和硬度的影響

從熱模擬試驗結果可以看出，對于Ф90mm38CrMoAl，在生產現場現有條件下，如果鋼上冷床溫度在750℃～780℃左右時，其組織應該主要是鐵素體+珠光體。圖4 為實驗鋼實際金相組織。從鋼材的金相結果看出，實驗鋼母材組織基本都是貝氏體組織，鋼的硬度為HB324，這與熱模擬結果不相符。從現場了解來看，造成這種現象的原因很可能是鋼在實際軋制過程中軋制溫度過高造成的。

圖4 實驗鋼母材的金相組織

鑒于此，利用Gleeble 熱模擬儀模擬研究了在同樣的冷卻速度條件下，變形溫度對鋼的組織和硬度的影響。具體的熱模擬工藝如下：

將試樣以20 ℃/s 的速度加熱到1260 ℃，保溫10min，以20℃/s 的冷速降到不同溫度變形，應變量為0.5，應變速率為6s-1，變形完了以后以1000℃/h 的冷卻速度冷卻到相變完成。具體工藝如圖5 所示。

圖5 熱模擬工藝圖

最終得到熱模擬實驗鋼的金相組織如圖6 所示。

圖6 不同硬度對應的金相組織

從實驗鋼的金相組織來看，當鋼的變形溫度為910℃時，鋼的最終組織中產生了較多的鐵素體+珠光體組織，這對于降低鋼的硬度是有利的。當鋼的變形溫度為1050℃時，從鋼的金相組織來看，鋼中幾乎看不到鐵素體和珠光體組織，其組織基本都是貝氏體組織，鋼的硬度也較高，達到了HB330 以上。從能量角度來看這是由于在較低溫度下變形提高了奧氏體的能量增加了相變的驅動力；從顯微結構上來看是由于較低溫度下變形增加了位錯、變形帶、空位以及孿晶等缺陷，增加了鐵素體的形核質點，從而使鐵素體相變比較容易發生。此外，位錯密度的增加，增加了碳原子的擴散通道，也有利于鐵素體相變的進行。

從現場了解到，目前軋制38CrMoAl 時基本都是采用較高的溫度進行軋制，鋼的終軋溫度基本都是在1050℃以上。拿實際鋼的金相組織與熱模擬試驗結果對照也驗證了這一點。因此，要降低硬度，在目前現場現有的設備條件下，應該從降低鋼的軋制溫度著手。

2.3 結論

（1）在變形溫度為980℃的情況下，要想鋼的硬度較低，鋼的組織最好是全部的鐵素體+珠光體，要達到這一目標，鋼的冷卻速度要控制在600℃/h 以下。

（2）當變形溫度為910℃時，38CrMoAl 在1000℃/h 的冷卻速度下，實驗鋼發生了明顯的鐵素體和珠光體轉變，而當變形溫度為1050℃時，實驗鋼的金相組織看不到鐵素體和珠光體轉變點，因此降低38CrMoAl 的軋制溫度具有降低其硬度的趨勢。