1.2738模块预硬化后大面表层硬度偏软问题分析

汝亚彬，胡永才，曹丽红，刘 明，秋立鹏，刘宝石，于宗洋，郑继辉，唐 亮

1.抚顺特殊钢股份有限公司（辽宁抚顺 113001）

2.东北特钢集团（辽宁大连 116024）

1 引言

近年来，我国模具工业发展迅速，产量已跃居世界前列，其中占主体的是塑料成型模具，用量较大的塑料模具钢主要有P20、718、1.2738等预硬化钢，适宜于制造大中型、精密的塑料模具。抚顺特殊钢股份有限公司是国内大型预硬化塑料模具钢的主要生产厂家之一，保证大模块硬度均匀性是关键技术难点，抚钢采用“水-空交替控时淬火冷却技术”对大模块进行淬火冷却处理，回火后模块整体硬度均匀，但模块大面表层出现硬度偏软现象，本文针对该现象，重点研究硬度偏软产生的原因及后期工艺改进处理。

2 试验材料

1.2738 预硬化模块生产工艺流程为：UHP+LF+VD→模铸27t大锭→35MN快锻机成材→模块预硬化处理，其化学成分如表1所示。

表1 1.2738钢的化学成分（质量分数）

3 试验结果

1.2738 模块标准要求交货硬度为32～37HRC，预硬化后按标准检验模块头尾端面9点硬度（角部4点、对角1/4处4点、中心1点）全部符合标准要求，但用户在检验该9点硬度后，又增加了模块大面表层往里约30mm左右的硬度检验，模块硬度检验具体示意如图1、图2所示，发现有约占当期供货50%左右的模块存在硬度低于标准下限现象，硬度检验值如图3、图4所示，据图3、图4可以看出，模块按标准要求检验模块端面9点硬度是符合标准要求的，但用户增加了大面表层往里约30mm左右的硬度检验，结果发现有硬度偏软现象。

图1 1.2738模块标准要求检验硬度

图2 用户硬度检验方式

图3 1.2738模块端面头部硬度检验值

图4 1.2738模块端面尾部硬度检验值

4 原因分析

对1.2738模块硬度偏软处取金相试样进行组织分析，发现模块预硬化后大面表层往里约30mm内出现大量黑色异常组织，正常1.2738模块预硬化后得到的组织是贝氏体组织，但硬度偏软处除贝氏体组织外有大量的黑色异常组织存在，模块大面表层往里不同位置金相组织照片如图5、图6、图7、图8所示。

图5 模块大面表层往里10mm处金相组织a——100倍 b——500倍

图6 模块大面表层往里20mm处金相组织a——100倍 b——500倍

图7 模块大面表层往里30mm处金相组织a——100倍 b——500倍

图8 模块大面表层往里40mm处金相组织a——100倍 b——500倍

据图5、图6、图7、图8所示，黑色异常组织在模块大面表层往里10mm、20mm左右处最多；模块大面表层往里30mm处黑色组织明显减少；模块大面表层往里40mm处黑色组织基本消失，组织均为模块预硬化后得到的正常贝氏体组织，此处的硬度值检验也符合标准要求，因此模块预硬化后大面表层往里一定距离内出现硬度偏软现象是由于得到黑色的异常组织所造成的。

黑色异常组织即为屈氏体组织，是属于珠光体组织的一种。根据片间距（珠光体团中相邻两片渗碳体或铁素体之间的距离称为珠光体的片间距）的大小，可将珠光体分为3类：片间距为0.6～1.0μm，称为珠光体；片间距较细，约为0.25～0.3μm，只有在高倍光学显微镜下才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种细片状珠光体又称作索氏体；片间距极细，只有0.1～0.15μm，在光学显微镜下无法分辨其片层状特征而呈黑色，如图5～图7所示，只有在电子显微镜下才能区分出来，这种极细的珠光体又称为屈氏体组织，是奥氏体在冷却时得到的不平衡组织[1]。

5 黑色异常组织即屈氏体组织产生原因分析

5.1 模块淬水工艺概述

1.2738 模块预硬化淬火工艺采用“水-空交替控时淬火冷却技术”进行淬火冷却，图9是工件的表层、次表层和心部在水与空气为介质的交替控时淬火冷却过程中的冷却曲线示意图。淬火冷却分3个阶段进行，第1阶段为预冷阶段，第2阶段为水-空交替淬火冷却阶段，第3阶段为自然空冷阶段。在预冷阶段，工件采取空冷的方式进行缓慢冷却，直到工件表层冷却到A1以上或以下的某一温度区间，其结果是减少了工件的热容量，加速了第2阶段的冷却效果。在水-空交替淬火冷却阶段，采用快冷（水冷）与慢冷（空冷）交替的方式进行，工件在第1次水淬过程中，工件表层快冷到Ms点以下某一温度并保持一定时间后，在表层获得部分马氏体，工件在第1次空冷过程中，次表层的热量传向表层，使表层的温度升高，结果是表层刚刚转变的马氏体发生自回火使表层的韧性和应力状态得到调整，避免了表层马氏体组织产生开裂。然后再重复水与空气的交替淬火冷却，直到工件某一部位的温度或组织达到要求。完成第2阶段淬火冷却后，将工件放置在空气中进行自然冷却，直到工件的心部温度低于某一值后进行回火。水-空交替控时淬火冷却技术的核心是借助数值模拟和物理模拟确定工艺，选择水和空气作为介质，采用具有喷液、浸液、喷雾、风冷和空冷等功能组合的淬火冷却设备，在计算机控制下执行工艺，最终获得要求的组织与性能[2]。

图9 水-空交替控时淬火冷却过程中各部位冷却曲线示意图

5.2 屈氏体异常组织产生原因及工艺改进措施

图10 是1.2738模块采用“水-空交替控时淬火冷却技术”冷却后在厚度方向的表层、次表层和中心不同不同部位沿截面的冷却曲线示意图。工艺为“预冷+喷水+空冷+喷水+空冷+喷水+…”组合，是通过数值模拟确定的，并且通过计算机控制的淬火槽予以实现[2]。

图10 1.2738模具钢采用水-空交替控时淬火冷却技术淬火各部位的冷却曲线示意图

在预冷过程中，棱角（A）、棱边（B）和表层（C）的温度降低到过冷奥氏体不稳定的温度范围之后，该处的冷却曲线趋于平缓，此时会形成大量的屈氏体（珠光体），目的是为了消除棱角、边和表层在随后喷水时开裂的危险，“水-空交替控时淬火冷却技术”是考虑到塑料模具的制造是在模块内部加工成型腔，而模块的棱角和棱边并非工作面，所以对于大型塑料模块通过预冷使棱角、棱边、表层先转变为珠光体但并不会影响塑料模的使用性能。当然预冷时间需适当控制，使珠光体只出现在棱角、棱边和表层的小范围内。从图10的冷却曲线E可以看出，预冷后，中轴线的表层温度仍保持在700℃以上，还没有进入到过冷奥氏体不稳定的温度范围，随后水冷就可以避免发生珠光体转变，获得马氏体和贝氏体组织。

由于大模块实际生产中，模块到温从加热炉出炉运送到淬火设备时本身就需要一定的时间（大约6～10min），再加上工艺本身要求的预冷时间，总体上预冷时间过长，因此造成了预冷时间过长而在模块表层往里一定的距离产生了屈氏体，由于客户对模块使用要求越来越严格，这种表层硬度与模块本身的硬度存在一定的差别，会影响客户使用。因此根据实际模块淬水时实际生产情况，取消原有模块淬水时的预冷阶段，当模块从加热炉出炉经过一段时间运送到淬火设备后，直接进行第二阶段，这样避免由于预冷时间过长而导致模块表层往里一定的距离内产生屈氏体的现象，后期1.2738模块在取消预冷后进行淬火处理后未再出现模块大面表层往里一定距离偏软现象。

6 结论

（1）1.2738模块预硬化后得到黑色异常屈氏体组织是造成模块大面表层往里一定距离内硬度偏软的原因。

（2）1.2738模块淬火时采用“水-空交替控时淬火冷却技术”进行冷却，在第一阶段预冷过程中由于棱角、棱边和表层的温度降低到过冷奥氏体不稳定的温度范围之后会形成大量的屈氏体组织。

（3）取消预冷后，后期生产的1.2738模块预硬化后未再出现模块大面表层往里一定距离内硬度偏软现象。