模具钢的金相组织及检验

模具钢的金相组织及检验
一、冷作模具钢
   用做冷作模具的材料，要求高硬度、高强度和良好的耐磨性、韧性。钢的显微组织特点是：热处理后要有一定量的剩余碳化物，碳化物分布均匀、形态圆整、细小；马氏体均匀细致；奥氏体晶粒均匀细小。细小马氏体能抑制微裂纹形成。增加板条马氏体可提高强韧性。共晶碳化物形态要圆整、粒度要细小。除碳素工具钢、低合金工模具钢、莱氏体钢外，基体钢已被广泛使用。基体钢是在高速钢淬火基体成分基础上，添加碳和其他合金元素改性，除了能保证获得5％(体积分数)的碳化物外，并有强韧兼备的性能，且能兼作冷模钢和热模钢。
 （一）莱氏体钢
   以Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo、Cr12Mo1V1、Cr12 W等钢种为代表。高碳高铬加钼、钒以细化组织。
LD(7Cr7Mo3 V2Si)和GM(9Cr6W3Mo2V2)钢称为半高铬钢，特点是韧性较高，耐磨性好、淬透性高。含碳量降低使碳化物均匀程度大大改善，但退火及调质工艺较为复杂。退火工艺为860℃ 2~3 h，740℃ 5~6 h缓冷，500℃出炉。最终热处理，LD加热温度为1100~1150℃分级淬火，550~600℃三次回火。GM加热温度1100-1160℃分级淬火，520-560℃三次回火。
    Cr12型钢的淬火组织中有共晶碳化物、颗粒状及点状残留碳化物、淬火马氏体及残留奥氏体，由于马氏体很细，在显微镜下看不到马氏体针叶，仅可观察到明显的奥氏体晶界，基体呈白色。如果采用热油或硝盐冷却时，侵蚀后基体呈黄褐色，晶界不易显示。这是由于马氏体在热油或硝盐冷却过程中稍受回火所造成。随着淬火温度提高，晶粒度逐渐长大，颗粒状碳化物逐渐溶解，残留奥氏体数量随之增加。如果温度过高，会引起晶粒粗大，晶粒边界熔化，冷却后得到网状碳化物及黑色组织组成的过烧组织。
   Cr12型钢淬回火后金相组织检验可参阅GB/T7713-1995《高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验》。
Cr12钢常规980℃加热淬火后，共晶碳化物块度大而且多呈角状，细粒状残余碳化物颗粒较粗，数量也较多，隐针马氏体和残留奥氏体分辨不清(图6-5)，回火后基体变黑，晶界区变白，有类似黑白区的组织出现(图6-6)。而经1080℃加热淬火后的组织，共晶碳化物尖角变钝，粒状碳化物减少(图6-7)。经1100℃加热淬火的组织，共晶碳化物尖角变圆秃，有大片白色残余奥氏体，其中分布着颗粒状剩余碳化物，黑色的淬火马氏体区也有残余奥氏体(图6-8)。此钢再经520℃回火后，残余奥氏体大量转变，回火马氏体也清晰可见(图6-9)。
         
图6-5   Cr12钢 980℃加热淬火组织   500×        图6-6   Cr12钢 980℃淬火200℃回火组织  500×
         
图6-7   Cr12钢 1080℃加热淬火组织  500×        图6-8   Cr12钢1100℃加热淬火组织  500×
Cr12MoV钢经1020℃常规加热淬火后，共晶碳化物块度比Cr12钢小得多，数量也较少，密集程度也比Cr12钢低。基体组织为隐针马氏体+残留奥氏体，分辨不清(图6-10)。剩余的碳化物相对较多。回火后基体变黑，回火马氏体针隐约可辨，残余奥氏体呈白色，白色奥氏体在黑色背景下特别清晰(图6-11)。而经1120℃加热淬火后，组织中的共晶碳化物尖角全部变圆，出现大量残余奥氏体，粒状碳化物已很少
(图6-12)。520℃三次回火后，残余奥氏体大部分分解，回火马氏体也清晰可见(图6-13)。有时为了增加钢的红硬性，将加热温度提高到1150℃，淬火组织中，大部分为白色残余奥氏体，共晶碳化物明显变小，
         
图6-9   Cr12钢 1100℃淬火520℃回火             图6-10   Cr12MoV钢 1020℃加热淬火组织  500×
三次组织  500×
         
图6-11   Cr12MoV钢 1020℃加热淬火                图6-12   Cr12MoV钢 1120℃加热淬火组织  500×
200℃回火组织  500×
棱角变圆，颗粒状剩余碳化物很少，但颗粒较粗(图6-14)。
       
图6-13   Cr12MoV钢 1120℃加热淬火              图6-14   Cr12MoV钢 1150℃加热淬火组织  500×
520℃回火三次的组织  500×
金相检验项目：
1． 共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准第四评级图评定，合格级别见表6-2，用Ⅰ组评定应供需双方协议。
2．珠光体球化  按相应技术条件进行评定。
3．二次碳化物网  按GB1299/1985《合金工具钢技术条件》中第二级别图评定。一般模坯碳化物
      网应≤2级。
                           表6-2共晶碳化物不均匀度级别
钢材直径或边长(mm) 共晶碳化物不均匀度级别，不大于
Ⅰ组 Ⅱ组
≤50
>50~70
>70~120
>120 3
4
5
6 4
5
6
协议

   4．淬火组织及晶粒度  按《工具钢热处理金相检验》行业标准进行，规定一次硬化马氏体针≤2级，晶粒度10~12级，二次硬化马氏体针≤3级，晶粒度8~ 9级。
（二）基体钢
     以65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、5Cr4Mo3Si MnVAI(012A1)和6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)等为代表。合金元素总量常在10％~12％(质量分数)。允许有5(体积分数)左右的剩余碳化物，耐磨性好。晶粒长大倾向不大，能兼做冷、热模具。这类钢对原材料退火工艺和最终热处理工艺要求较高，65Nb的退火工艺是等温球化，或进行超细化处理(1200℃固溶，720℃高温回火)。尽可能减小带状碳化物偏析、共晶碳化物链状和二次碳化物网。在金相检验中应注意012A1钢中的粗大氧化铝夹杂，CG-2钢中的VN夹杂等。

  金相检验项目：
  1．脱碳层测定  模坯脱碳层深度不允许超过加工余量，模具热处理后不允许有明显脱碳。
   （1）退火脱碳  这类钢的脱碳组织表现为碳化物球由基体向外逐渐减少，而碳化物形态无明显改变。因此基体组织呈球状或点状珠光体。部分脱碳时有两个特征：一是碳化物球逐步均匀减少；二是低密度碳化物球的颗粒数逐步增多。全脱碳区为铁素体。
     (2) 淬火回火脱碳  基体钢的脱碳与低合金工具钢的脱碳相似。淬火组织可见交叉分布的针状马氏体，表层马氏体针比心部长，侵蚀后色泽略浅，低温回火后也是具有较浅色泽，因此在制备金相试样时应注意把表面组织完全显示出来。脱碳程度较大时，如含碳量的质量分数约为0.4％时，将出现板条马氏体，表面色泽较深，回火后也是色泽较深。金相分析时要分辨假象，500倍下必须观察到成排分布的低碳板条马氏体。严重脱碳的淬火组织，会出现铁素体网，制备试样应能显示出铁素体晶界为准。
  2．碳化物带状偏析  基体钢中的严重碳化物带状偏析(碳化物呈点状)和共晶碳化物等，可采用《铬轴承钢技术条件》评定，检查时取纵向试样，经淬火回火，试样需深侵蚀，在100倍和500倍放大下根据碳化物聚集程度、大小和形状评定其级别。
   基体钢的碳化物多呈点状，淬火加热时碳化物带内基体含碳及合金量较高，淬火后形成以隐针孪晶马氏体为主的组织，经高温回火后，该区仍显回火不足，呈白色，剩余碳化物是黑色点状，碳化物两偏析带之间是低合金低碳区，高温回火后转变为回火马氏体、回火托氏体，甚至是回火索氏体，黑白相间的条带是由带状偏析所致，淬火组织和回火组织不均匀也是模具淬火开裂和早期失效的原因。
  3．二次碳化物网  网状碳化物形成原因主要是，停锻温度较高；冷却又较慢；球化退火前需经正火消除残留网状。一般网状碳化物所包围的晶粒也比较粗大，这种晶粒相当于在停锻温度时的奥氏体晶粒。过热球化也可以形成碳化物网，显微组织中可观察到网状二次碳化物、粗粒和粗片珠光体。另外在高温加热风淬或高温分级淬火也可能形成碳化物网，显微组织要用高锰酸钾或赤血盐溶液热染，因为它是纤细而封闭的网络。
   4.共晶碳化物  可参照高铬钢或高速钢的办法进行制样和评定。
   5.回火程度  制备试样时必须注意，不要在磨抛时发热。用ω=95％含水酒精试剂，硝酸浓度为ω=4％的侵蚀剂，使用温度15~25℃，侵蚀时间为2 min。试样侵蚀面上观察到灰黄色不均匀者为回火不足。因为回火不足容易误判，可将同一块试样再切下一块，再补充回火一次，与前一试样在同等条件下侵蚀对比观察效果较好。

二、热作模具钢
   热作模具长时间在反复急冷急热工况下工作，模具温升可达700℃，因此要求模具用钢有良好的热强性及热疲劳和韧性。高韧性热锻模钢有5CrNlnMo、5CrNiMo, 4Cr5MoSiV(H11)等。退火组织为片状珠光体和铁素体。常有严重的元素偏析。强韧兼备的热模具钢有4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo2MnVB、4Cr3Mo3W4VNb(GR)等，高热强钢有3Cr2W8V、4Cr3Mo2MnVNbB(Y4)、4Cr5Mo2MnVSi(Y10)等。其他热作模具钢属共析或过共析钢。退火组织为点状及细粒状珠光体和共晶碳化物。它们的共晶碳化物属亚稳定共晶碳化物。要求是均匀、细小和圆整的碳化物，不允许大块或呈链状、带状分布。由于多种合金元素的加入，热模钢的冶金质量较难控制，钢材中的碳氮化合物及夹杂物检验均是至关重要的。
   热作模具钢金相检验采用的主要标准是，YB 9-1968《铬轴承钢技术条件》, ZJB36003-1987《工具钢热处理检验》和GB/T 1299-2000〈合金工具钢技术条件》。
 （一）高韧性热锻模钢
   1．原材料带状组织  最好不超过2级。
   2．碳化物偏析带  主要针对H11钢，按技术条件验收。
   3．热处理组织  马氏体针长为≤4级。用回火托氏体和回火索氏体的模具，应注意组织不均匀和回火不均匀，出现上贝氏体时，说明有过热现象，用回火马氏体、回火托氏体和少量碳化物的模具，应注意碳化物偏析引起的组织不均匀现象。
   4．碳化物网  主要针对H11钢，模坯的碳化物网要求≤2级。
   5．球化质量  主要针对H11钢，按技术条件检验。
 （二）强韧兼备的热作模具钢和高热强钢
   1．共晶碳化物不均匀性  用做热作模具的大多是共析钢或过共析钢，并且合金元素含量较高，碳和其他合金元素扩散均匀比较困难，较严重的元素偏析就可能导致亚稳定的共晶碳化物出现。一般可采用高温长时间的扩散退火方法消除。如果共晶碳化物数量多并集聚成链或带，将会造成严重危害。因此应采用《铬轴承钢技术条件》中有关碳化物液析的评定标准及相应的技术条件进行检验，以更使模具钢的质量得到控制。
   2．球化质量  按技术条件检验。
   3．碳化物网  碳化物网的形成主要原因是：锻后缓冷、退火过热、高温加热空气淬火和高温分级淬火。要求模坯碳化物网≤2级。
   4，碳化物偏析带  按技术条件检验。
5．热处理组织淬火后马氏体针长≤4级，晶粒度要细于8级。马氏体针长≤2级时，其晶粒度要细于9级。采用回火马氏体、回火托氏体、剩余碳化物和共晶碳化物的模具，应注意有无晶界碳化物网。共晶碳化物若呈带状或有碳化物偏析带，将使淬火回火组织不均匀。一般能在1000倍放大下分辨出回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体。3Cr2W8V钢在回火后有时会出现宽晶界，应注意与二次网状碳化物的区别，具有宽晶界组织模具脆性倾向大。

三、塑料专用模具钢
   由于塑料模具形状复杂、尺寸精度和表面粗糙度等均有较高要求，所以使用的模具材料类型较为特殊。
（一）精炼的结构钢
   以3Cr2Mo(P20)为代表的精炼合金结构钢，经调质后模坯硬度30~35HRC，加工性能好。该钢对非金属夹杂物要求较高，一般要控制在2级以下。
（二）易切削预硬钢
   钢中加人硫、钙、硒、碲、铅及稀土元素等，能形成易切削相。如8Cr2MnWMoVS,
5CrNi2MnMoVS(SMl)是单元易切削预硬钢。5CrNiMnMoSCa(5NiSCa)是二元易切削预硬钢。调质后硬度40~-45HRC，再经机加工，磨抛后可获得镜面。
   硫系易切削钢中的易切削相，容易集中成带状分布，横向力学性能差，拉伸断口呈层状。硫化锰尺寸不能过长，要求分散分布。硫钙系易切削预硬钢中，易切削相(Mn•Ca) S呈纺锤形，钢中高硬度的Al2O3、SiO2等形成复合低熔点共晶氧化物MCaO•Al2O3•NSiO2，硬度也从原来的1800HV降到900HV，如果呈纺锤形的易切削相分布均匀，对机械性能的横纵向性能有较大改善。冶炼时如果钢水吸钙不足，(Mn•Ca) S易切削相可重新蜕变为条状MnS,因此，金相检验易切削相的形态和分布十分重要。
（三）时效硬化塑模钢
   10Ni3MnMoCuA1(PMS)钢为时效硬化塑模钢。模坯锻后空冷，硬度30HRC，机加工后再时效，硬度上升到40~43HRC，磨抛后可获得镜面。PMS钢固溶空冷得到粒状贝氏体，如果空冷速度较快则在粒状贝氏体中出现板条状马氏体，使机加工性能变差。时效后，粒状贝氏体中富碳的岛状组织转变为岛状马氏体，有碳化物析出和NiAl相析出，硬度上升，使模具具有较好的镜面粗糙度。