3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊預(yù)硬化硬度不合原因分析及工藝改進(jìn)

孫秀華，康愛(ài)軍，劉德龍，徐曉慧，黃 輝

（撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧撫順113001）

1 引言

3Cr16NiMoS鋼是改進(jìn)機(jī)械加工性能的塑料耐蝕模具鋼，用于生產(chǎn)耐腐蝕性能高的塑料產(chǎn)品的配件和表面要求低的模架或者鑲?cè)爰希饕糜跓崃鞯滥＞咝袠I(yè)[1~2]。

為滿足市場(chǎng)需求，撫鋼試制了3Cr16NiMoS鋼，預(yù)硬化狀態(tài)供貨，其中軋制扁鋼和鍛制圓鋼可以預(yù)硬化硬度合格供貨，鍛制模塊預(yù)硬化硬度超出要求范圍，不能合格供貨。本文對(duì)影響鍛制模塊預(yù)硬度化硬度不合的原因進(jìn)行了分析，并找出解決辦法，而且通過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，預(yù)硬化硬度合格供貨。

2 生產(chǎn)工藝和問(wèn)題描述

撫鋼3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊生產(chǎn)流程：EAF爐初煉→LF爐外鋼包精煉→VD爐真空脫氣處理→模鑄鋼錠→鋼錠加熱→3500t快鍛機(jī)鐓拔鍛制模塊→模塊退火→模塊調(diào)質(zhì)預(yù)硬化處理→檢驗(yàn)→入庫(kù)。主要工藝參數(shù)：冶煉27t鋼錠，鋼錠為截面平均尺寸1,225mm的八角錠，二次鐓拔鍛制模塊，模塊橫截面尺寸為厚度280~370mm×寬度1,200~1,400mm，調(diào)質(zhì)預(yù)硬化處理采用1,030℃×6h加熱奧氏體化，水-空交替冷卻至500℃左右油淬，500℃~540℃×25h空冷回火。

試制的3Cr16NiMoS鋼為預(yù)硬化狀態(tài)供貨，加工成模具后不再進(jìn)行熱處理直接使用，為此對(duì)硬度均勻性要求嚴(yán)格，帶寬不超過(guò)5HRC，以保證模具性能的均勻性。試制的鍛制模塊分別在相當(dāng)于鋼錠頭部和尾部的橫截面上按中心、對(duì)角線四分之一、角部進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，硬度不均勻，頭部中心硬度高，尾部中心硬度低，硬度帶寬達(dá)7.5HRC，滿足不了5HRC要求，不能合格供貨。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鍛制模塊的尺寸為320×1,370mm，化學(xué)成分（熔煉分析）如表1所示，在相當(dāng)于鋼錠頭部和尾部的模塊上切取厚度10mm試片，用50%鹽酸水溶液加熱腐蝕后進(jìn)行低倍組織觀察，然后在試片上不同位置切取20×20mm試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)、碳含量分析、熱處理試驗(yàn)，硬度檢驗(yàn)在洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行，碳含量分析采用紅外碳硫聯(lián)測(cè)分析儀、熱處理試驗(yàn)采用箱式電阻爐。

表1 化學(xué)成分 %

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 酸蝕低倍試驗(yàn)

酸蝕低倍組織如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，鍛制模塊偏析嚴(yán)重，頭部偏析呈橢圓形，且中心部位偏析比較嚴(yán)重，尾部偏析呈方框形，而中心部位基本不存在偏析。

圖1 酸蝕低倍組織

4.2 硬度檢驗(yàn)

按圖1酸蝕試片上標(biāo)記的位置切取試樣，進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 硬度檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，硬度明顯不均勻，范圍為34~41.5HRC，帶寬為7.5HRC，頭部中心橢圓形偏析和尾部方框形偏析處硬度較高，頭部橢圓形偏析處硬度為37.5~41.5HRC，且中心處硬度最高為41.5HRC，尾部方框形偏析處硬度為37.5~38HRC，尾部中心沒(méi)有偏析處硬度為34HRC，其它無(wú)偏析處硬度基本相當(dāng)，范圍為34~35.5HRC。

4.3 碳含量分析

鋼中含碳量是決定硬度的主要因素[3]，將檢驗(yàn)硬度的試樣進(jìn)行碳含量分析，結(jié)果如表3所示。

表3 碳含量分析結(jié)果

由表3且與表1對(duì)比可見(jiàn)，碳含量不均勻，存在偏析，頭部中心和橢圓形偏析處以及尾部方框形偏析處為正偏析，頭部中心處的碳含量最高為0.415%，比熔煉分析的高0.125%，尾部中心處負(fù)偏析為0.252%，比熔煉分析低0.038%，且頭部中心和尾部中心處差值達(dá)0.163%。

4.4 熱處理試驗(yàn)

從硬度檢驗(yàn)和含碳量分析后的試樣中選取不同偏析部位的試樣在試驗(yàn)室進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，熱處理工藝為1,030℃×0.5h加熱后油淬，再分別500℃×2h和540℃×2h空冷回火，然后檢驗(yàn)硬度，并與模塊預(yù)硬化硬度進(jìn)行了比較，結(jié)果如表4所示。

表4 熱處理試驗(yàn)前后硬度檢驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，試樣在試驗(yàn)室與模塊采用相同的熱處理工藝1,030℃淬火+500℃回火處理后，同一偏析部位的硬度基本相同，不同偏析部位的試樣在試驗(yàn)室采用相同熱處理工藝1,030℃淬火+540℃回火處理后，硬度仍然不同，正偏析部位硬度高，負(fù)偏析部位硬度低，說(shuō)明淬火+回火熱處理改善不了碳偏析對(duì)硬度的影響。

5 原因分析與改進(jìn)措施

鑄錠中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為成分偏析，尺寸愈大，成分偏析愈嚴(yán)重[4]，試制的3Cr16NiMoS鋼鍛制模塊采用的是27t鋼錠，鋼錠截面平均尺寸為1,225mm，由于鋼錠尺寸大導(dǎo)致了鍛制后模塊成分偏析嚴(yán)重，且通過(guò)碳含量分析得到驗(yàn)證碳偏析嚴(yán)重，而且碳正偏析的部位硬度高，碳負(fù)偏析的部位硬度低，是由于鋼中含碳量是決定硬度的主要因素，含碳量高則硬度高，反之則硬度低[5]。

綜上分析，試制的3Cr16NiMoS鋼27t鋼錠鍛制的模塊預(yù)硬化硬度超出帶寬5HRC要求的原因是鋼錠大導(dǎo)致碳偏析嚴(yán)重而影響預(yù)硬化硬度不均勻，且通過(guò)熱處理試驗(yàn)淬火+回火處理無(wú)法消除碳偏析對(duì)硬度不均勻的影響，為此從減小鋼錠尺寸方面進(jìn)行了改進(jìn)，采用15t鋼錠進(jìn)行了試制，鋼錠截面平均尺寸為1,080mm，為保證鍛造比采用3次鐓拔鍛制，鍛制后模塊的碳偏析和預(yù)硬化硬度均勻性比27t鋼錠有很大改善，對(duì)比結(jié)果如圖2所示，27t鋼錠鍛制模塊的碳正負(fù)偏析差值為0.163%，預(yù)硬化硬度帶寬為7.5HRC，15t鋼錠的碳正負(fù)偏析差值為0.089%，預(yù)硬化硬度帶寬為4HRC，滿足了帶寬5HRC要求，保證了合格供貨。

圖2 27t和15t鋼錠鍛制的模塊碳偏析和預(yù)硬化硬度對(duì)比結(jié)果

6 結(jié)論

（1）采用27t鋼錠鍛制的模塊預(yù)硬化硬度不合的原因是碳偏析嚴(yán)重影響硬度不均勻，碳正負(fù)偏析差值為0.163%，預(yù)硬化硬度帶寬為7.5HRC，滿足不了帶寬5HRC要求，無(wú)法合格供貨。

（2）工藝改進(jìn)，采用15t鋼錠鍛制的模塊碳正負(fù)偏析差值為0.0839%，預(yù)硬化硬度帶寬為4HRC，滿足了帶寬5HRC要求，合格供貨。