718模具钢是瑞典的模具钢牌号,相当于我国的3Cr2MnNiMo,是通用型镜面塑料模具钢,由于传统的P20模具钢只能保证厚度不大于350mm 模块的淬透性,通过添加镍元素来提高淬透性,可以弥补P20模具钢在大截面模具淬透性方面的不足,使其具有较高的淬透性而被广泛用于大型、精密、复杂及镜面抛光的塑料模具,并且具有淬火不变形开裂,精度高,制模周期短等优点,已成为大型高端塑料模具的首选。以往我国大量进口718钢板,近年来,国内一些中厚板企业生产的模具钢板逐年增加,但随着钢板厚度的增大,探伤质量、硬度均匀性和加工问题较为突出。研究表明:探伤不合的主要原因是连铸坯中心疏松和中心偏析缺陷没有轧合、消除或改善,硬度均匀性会随回火时间增加而改善,在加工过程中出现的切割面不平是由微观偏析导致的。某中厚板厂使用400mm连铸板坯在5000mm 宽厚板轧机生产厚度为100mm 的718钢板,在锯切钢板过程中出现锯条异响、截面不均匀现象,影响模具加工效率,同时存在模具加工质量和制造成本问题。
实验材料
718钢板化学成分和性能控制要求详见表1,C和Mn是良好的脱氧剂和强化元素,Cr的主要作用是提高钢的强度和抗氧化性,Mo可提高钢的抗回火脆性能力。同时,钢中的Mo与C会形成一种强碳化物,使得钢中的渗碳体在高温时难以分解,Ni可提高淬透性,保证厚规格钢板芯部硬度满足使用要求。
1.2 工艺路线
718模具钢板生产工艺流程:铁水预处理→120t顶底复合转炉吹炼→锅包炉(ladlefurnace,LF)精炼→RH 真空处理→板坯连铸→动态轻压下→板坯热送热装→步进梁式炉加热→双机架轧机轧制→热态矫直→冷床空冷→堆垛→探伤→回火→表面检查→硬度检验→喷标→入库。
实验结果
2.1 横截面形貌
厚度为100mm 的718钢板在锯切后钢板的横截面形貌如图1所示,在厚度1/2位置可见粗糙、不均匀的浮凸带,浮凸带与切割纹理方向一致,尺寸不一的浮凸包块聚集成一条宽度约20mm 的带状区域。在钢板横截面上切取全厚度截面试样,用于检验分析浮凸带的形成原因,试样尺寸为100mm×50mm×10mm,试样形貌如图2所示。
2.2 洛氏硬度
试样经磨床磨制,使用荷兰铁诺NEMESIS6200RS型号洛氏硬度机沿厚度方向测量硬度,间隔3mm 测量一点硬度,共测量33点,图3为测量硬度的位置分布。硬度检验结果如图4所示,整体截面硬度在35~45HRC之间,近表层硬度在35~40HRC之间,1/4处硬度在37~40HRC之间,但1/2位置硬度增加至40~45HRC。
2.3 成分分布
对试样从上近表至下近表位置进行光谱检验成分分布分析,每隔6mm 检验一点成分,共检验16点,并将检验值与熔炼成分的比值作为偏析指数。检验结果表明,在1/2位置附近,C、Mn、Cr后是分数明显高于熔炼成分和近表位置,存在成分偏析,图5显示,从表面至中心位置,C、Mn、Cr的偏析指数增加明显,其值分别为0.99~1.08、0.98~1.06、0.98~1.06,说明C、Mn、Cr三元素在钢坯内部存在严重的分布不均现象。
2.4 偏析
对图2中试样厚度1/2位置进行冷酸蚀检验,结果如图6所示,试样表面存在多处黑色点状区域,说明存在成分偏析,黑色点状分布与原始试样的凸起分布规律一致。对黑点处进行硬度测量,黑点处硬度在41~44HRC,明显高于其他位置的硬度。
2.5 金相组织
使用卡尔蔡司Observer.A1M 型号金相显微镜对试样近表层、1/4处、1/2处进行金相组织检验。检验结果显示,钢板的近表层如图7,8所示,组织均为回火贝氏体和少量回火索氏体混合组织;钢板的1/4处如图9,10所示,组织均为回火贝氏体和少量白色的非正常组织;钢板的1/2处如图11,12所示,组织均为回火贝氏体和较多白色的非正常组织,非正常组织区域约占视场比例40%。
2.6 微观组织硬度
为明确异常组织特点,对试样异常组织和正常组织使用荷兰铁诺FALCON511型号维氏硬度计检验其微观组织硬度,异常组织检验结果如图13 所示,1/2 处正常组织检验结果如图14所示,近表层正常组织检验结果如图15所示,检验结果(见表2)显示,异常组织硬度高达552HV(52HRC),1/2 处正常组织硬度为381HV(40HRC),近表层正常组织硬度为331HV(35HRC),异常组织硬度符合马氏体硬度特点,结合2.5节中异常组织的形貌,可以明确异常组织为未经回火的马氏体组织。
原因分析
718 模具钢含有(质量分数)0.40%C,1.0%Mn,0.95%Ni,0.25%Mo,属于中碳合金钢。C、Mn、Mo元素含量高,易产生成分偏析,形成不易分解的碳化物,而且具有较强的淬透性使其易于产生马氏体组织。热轧钢板在冷床上自然冷却的过程中,钢板表面及近表区域冷却速度较快,当表层温度低于Ms(280℃)点时,奥氏体向马氏体转变,这种转变会带来体积膨胀,造成芯部奥氏体承受的压应力增大,使芯部的奥氏体组织难以转变为马氏体。
当718模具钢板在冷床冷却至250℃时,钢板将被吊运至堆垛场地进行缓冷,此时,钢板芯部温度仍然大于Ms点,芯部未转变的奥氏体受到外侧已转变马氏体的正压力作用,变得更加稳定。即便随着堆垛钢板温度逐渐冷却至Ms点,其残余奥氏体向马氏体转变并不立即开始,而是经过一段时间才能恢复转变,转变需要将在更低的温度下才能进行,而且转变量也达不到连续冷却时的转变量。
钢板经过堆垛2~3d后执行回火工艺,由于钢板芯部是以残余奥氏体组织进行回火。表层及近表组织在回火过程,马氏体转变回火索氏体,并释放了之前由奥氏体转变马氏体产生的应力。在回火后的冷却过程中,芯部外侧残余奥氏体先逐渐转变成马氏体,同样,由于体积膨胀原因,对芯部后转变的马氏体及残余奥氏体产生相互的压应力,造成芯部还积聚一定的组织应力。由于生产过程仅经过一次回火,残余奥氏体未能全部转变成马氏体,造成马氏体体积膨胀带来的应力积聚在钢板芯部。
经过一次回火,钢板表面至1/4处形成了均匀的回火态组织,硬度适当降低且均匀,且应力已经得到了释放。而芯部是未转变的残余奥氏体和后期转变的马氏体,其硬度显著高于1/4以外位置且不均匀分布,并伴有积聚的应力。
当钢板在锯切过程,其位置应力得到释放,受到挤压的马氏体体积膨胀得到释放并伸长。当锯切到马氏体时,由于马氏体硬度高,锯条行进阻力增大,锯齿偏移受到挤压,发生异响,严重时会出现切斜现象。由于马氏体的膨胀和伸长表现为钢板截面出现不规则的浮凸形貌,当浮凸较多且连贯时,表现为浮凸带。
改进措施
4.1 优化轻压下工艺
偏析是形成马氏体的基础条件,而轻压下是改善偏析的重要设备手段。通过射钉试验测量铸坯的坯壳厚度,可以评判轻压下的位置和压下量与铸坯内部质量的关系,射钉试验结果表明:原压下位置为连铸机的11~12段,实施3mm压下量时,固相率为40%~60%,中心偏析≤B2.0级,中心疏松≤1.5级;将压下位置为连铸机的12~13段,实施6mm 压下量时,固相率为55%~80%,中心偏析≤C1.0级,中心疏松≤0.5级,无其他缺陷。通过后移压下位置和增大压下量,铸坯中心偏析和中心疏松改善效果显著,同时,铸坯未出现因增大压下量而导致的中间裂纹缺陷。
4.2 优化热处理工艺
718模具钢钢板通常进行正火+回火或者多次回火工艺处理,以预硬态交货,为降低生产成本和缩短制造时间,工艺调整为采取热轧+单次回火处理,热处理温度为580~600℃,在炉时间为350min,单回火工艺可以使厚度不大于100mm 处能够达到硬度和组织均匀化要求,但当热处理炉烧嘴故障率较高造成炉内热源不充足时,钢板芯部硬度和组织均匀性变差,且随钢板厚度增加,因此,通过控制烧嘴故障率不大于5%保证热处理炉内温度场稳定。在硬度检验过程中,对出现截面硬度偏高、硬度不均匀的钢板进行二次回火处理,第二次回火温度比首次回火温度低10K。通过稳定热处理炉工况和及时增加回火处理,用户在复检时未出现硬度超高和截面不均匀问题。
结论
(1)轻压下工艺未能达到理想效果,导致铸坯形成严重的中心偏析,进而导致碳化物在回火后不能全部分解和演变,未演变的碳化物形成马氏体,由于马氏体膨胀和伸长,在锯切截面形成了影响加工使用的浮凸带。
(2)依托射钉试验确定原压下位置不合理,通过后移压下位置,调整压下量和压下速率,使铸坯中心偏析由B2.0级提高至C1.0级。
(3)通过加强管理热处理炉烧嘴和工艺执行,提高了厚规格模具钢板回火效果,稳定了钢板内部组织和硬度的均匀性,并对截面硬度超高的钢板采取二次回火处理,可以解决硬度不均和截面中心浮凸问题。
来源：日钢营口中板有限公司