预硬化型合金模具钢板P20LL回火工艺与组织

胡喜恩，马晓妹，张　敏，马晓旭（江西新余钢铁公司检测中心，江西新余338028）

预硬化型合金模具钢板P20LL回火工艺与组织

胡喜恩，马晓妹，张敏，马晓旭
（江西新余钢铁公司检测中心，江西新余338028）

为改善预硬化型模具钢板心部组织，提高钢板探伤合格率，采用不同回火工艺，对在热轧生产线上预硬化的厚度80 mm的合金模具钢P20LL钢板进行了回火试验研究。试验结果表明，采用580℃×（5~7.5）h的回火工艺可以使厚度80mm的P20LL在线预硬化模具钢板获得较为理想的组织。

模具钢板；回火；组织；硬度；裂纹

1　引言

合金模具钢的热处理是保证模具性能的重要工艺过程，热处理后的组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大等，会造成模具在热处理后的加工、装配和使用过程中的变形，开裂。预硬化热处理后的钢板要求硬度在30HRC左右，整个截面上硬度性能均匀，加工成模具后不易产生变形等缺陷，并保证良好的加工性能。某公司生产的P20LL钢在热轧生产线空冷后进行预硬化热处理回火后探伤检测，结果为部分钢板心部局部有面积缺陷，主要为微裂纹；经理化检测分析：该公司生产的P20LL钢加入了Cr、Mn、Mo等合金元素，钢板心部存在C、Mn等成分偏析，心部常会出现组织转变不均匀、不彻底，导致硬度不均匀和微裂纹的产生。本文通过不同回火工艺模拟试验，以及显微组织和硬度检测分析，从而指导热轧生产线空冷后选择合理预硬化热处理回火工艺。

2　试验材料及方法

试验材料为P20LL钢，其化学成分（质量分数，%）0.40C，1.45Mn，0.002S，0.016P，0.36Si，1.90Cr，0.11Mo。在一钢板规格80 mm×2 200 mm×9 750 mm，探伤检测面积缺陷报警区取样块：80 mm×400 mm×500 mm，再将样块加工成15个试样，试样尺寸：钢板厚度80 mm×高20 mm×宽20 mm，试样状态为热轧生产线空冷后已预硬化热处理回火（后面简称热轧态）：正火900℃+回火570℃×3.5 h。15个试样回火工艺模拟参数见表1，试验设备有：热处理炉是SX2-4-10电阻炉、AX10金相显微镜、Leica显微维氏硬度计、HR-150A洛氏硬度计。

3　试验结果

3.1显微组织分析

由于P20LL钢板心部存在一些成分偏析，热轧态试样心部存在组织转变不均匀、不彻底，试样心部数个微小区域组织为片状马氏体+残余奥氏体，基体组织为贝氏体，见图1。根据表1进行回火后，组织转变见图2，从图2组织转变分析：8～15号样残余奥氏体有较明显碳化物析出，1～7号样残余奥氏体中在光学显微镜下观察没有明显碳化物析出。

3.2钢板心部成分能谱分析

图1　热轧态心部组织

图2　不同回火工艺组织转变

由图1、图2可见，钢板心部偏析区域都伴有短条状深灰色夹杂存在。对该夹杂进行能谱分析，结果见图3，夹杂主要成分为MnS。

3.3显微维氏硬度分析

分别对热轧态和15个回火试样的心部偏析区域（马氏体+残余奥氏体，表中简称a区）及毗邻基体贝氏体组织（表中简称b区）测试维氏硬度值（HV0.1），测试结果见表2。由表2可以看出：8～15号样心部两种组织的维氏硬度差值＜150 HV0.1。热轧态差值最大为317 HV0.1。

3.4洛氏硬度分析

由于合金模具钢P20LL要求整个截面上硬度性能均匀，分别对热轧态和15个回火试样厚度的1/4处和1/2处及表层进行洛氏硬度值测试，结果见表3。表3表明：11～15号样洛氏硬度损耗较大，洛氏硬度值比热轧态明显减小。

表1　试样回火及保温时间

4　试验结果分析及讨论

由显微组织及能谱分析结果可见：钢板心部存在微小区域的成分偏析，且偏析区都存在MnS夹杂物，钢板心部MnS夹杂的危害容易造成Mn元素偏析[1]，导致Mn元素正偏析处与钢板基体部位的马氏体/贝氏体的临界冷却速度及转变温度不一致，在轧后的冷却过程中，偏析部位转变成马氏体+残余奥氏体组织，基体转变成贝氏体，两种组织产生了较大的组织应力。另外，根据热轧态试样心部中两种组织的维氏硬度值相差317 HV0.1，金相组织观察可知，发生裂纹的位置在马氏体组织区，且该组织的硬度和强度均较高，而随着强度的升高材料对氢脆裂纹的敏感性必然增大[2]，故钢板心部偏析区域——马氏体+残余奥氏体组织区是裂纹敏感区。

由于P20LL钢预硬化热处理后要求硬度为30 HRC左右，整个截面上硬度均匀；P20LL由于加入了Cr、Mn、Mo等合金元素，其淬透性好，故防止钢板心部延迟裂纹的产生显得尤为重要，从不同的回火工艺、显微组织、维氏硬度值及试样横截面洛氏硬度值分析：8～15号样残余奥氏体有较明显碳化物析出，1～7号样残余奥氏体中在光学显微镜下观察没有明显碳化物析出；8～15号样心部两种组织的维氏硬度差值＜150 HV0.1。1～6号样两种组织的维氏硬度差值＞200 HV0.1；1～10试样横截面洛氏硬度值损耗不大，与热轧态相近。11～15号样洛氏硬度值损耗较大。

表2　显微组织维氏硬度值（HV0.1）

表3　洛氏硬度值

5　结论

为了保证P20LL钢板预硬化热处理后的硬度要求和整个截面上硬度均匀性，以及防止组织应力产生的延迟裂纹，P20LL试样尺寸：钢板厚度80 mm×高20 mm×宽20 mm，在热轧生产线空冷后已预硬化热处理回火后再补偿回火工艺为580± 10℃×（20～60）min较为理想；根据厚度参数计算：规格80 mm的P20LL钢板补偿回火工艺为580± 10℃×（80～240）min，转换成小时：约1.5～4 h，加上钢板热轧态回火工艺为570℃×3.5 h；计算可得：在热轧生产线空冷后预硬化热处理回火工艺较为理想的选择为580±10℃×（5～7.5）h。

建议降低刚中易偏析元素S、P含量，减少心部MnS夹杂；调整合适的在线预硬化热处理工艺，减轻组织转变不均匀、组织应力过大；优化回火工艺，防止组织应力延迟裂纹的产生。

[1]许庆太，王文仲.连铸钢坯低倍检验和缺陷图谱[M].北京：中国标准出版社，2009.

[2]陶春虎.高品质钢铁材料失效分析培训班教材——环境介质作用下的失效分析[M].北京：中国金属学会，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，工程师，主要从事炼钢生产技术管理工作。