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本文结合与南钢合作研究的《南钢模具钢系列产品加工开裂成因研究及生产工艺优化》课题,在对锯切开裂的模具钢板相关系列产品(NSM30、P20、718)开裂试样进行失效分析基础上,提出解决开裂问题的方案;并通过系列实验研究,提出成分与工艺优化措施以提升系列模具钢板的产品质量。对系列模具钢进行了正火与回火的热处理工艺实验,对NSM30典型模具钢进行了Gleeble热模拟研究以及轧后回火及淬火后回火的内耗行为研究。利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、洛氏硬度计、冲击试验机等试验设备对试验钢组织与性能进行了研究。对模具钢板在锯切时开裂试样的失效分析结果表明,裂纹源位于开裂钢板的心部,在微裂纹附近有较多的一次粗大氮化钛或网状碳化物,钢板特别是厚板组织不均匀,心部甚至出现珠光体组织,造成钢板硬度不均匀。因此造成锯切开裂的最主要原因是钢板中存在超标氮化钛夹杂以及钢板截面组织及硬度的不均匀性。CCT软件模拟表明,三种模具钢当冷却速度为0.1℃/s~10℃/s时,主要得到一定含量的铁素体和贝氏体组织;在10℃/s~100℃/s范围时,获得贝氏体组织和马氏体组织;当冷却速度大于100℃/s,得到全马氏体组织。NSM30是在P20成分基础上适当减Mo增Mn,718模具钢是在P20成分基础上增加1%Ni。随着合金元素含量增加,模具钢的贝氏体淬透性增加,在实际生产中可以通过空冷或控冷得到以贝氏体为主体组织的模具钢板。热处理工艺实验表明,三种试验钢在奥氏体化后空冷后均主要得到贝氏体与一定含量马氏体的混合组织。三种试验钢在正火后硬度范围在49~52 HRC。在不同温度进行回火,随着回火温度升高,硬度值逐渐降低,在400℃以上温度回火硬度值下降迅速,经600℃回火时的硬度范围为30~32 HRC左右,达到模具钢的29~38.5 HRC预硬化要求。对NSM30钢的Gleeble热模拟试验表明,在加热奥氏体化后,在0.1℃/s冷却时,组织主要是细珠光体加少量铁素体组织,硬度为40 HRC,室温冲击韧性为35 J;当冷速大于0.5℃/s后,组织中就存在大量贝氏体组织,硬度为51.7 HRC,室温冲击韧性为24 J;当冷速大于1℃/s以上时,组织为贝氏体和一定量马氏体的混合组织,硬度在55~58 HRC,冲击韧性在13 J~22 J之间,随着冷却速度的增加,硬度变化不大,而韧性在不断降低。Gleeble热模拟试验还表明,热轧NSM30模具钢试样在600℃回火后经不同冷速冷却,显微组织并没有发生变化,组织为回火态的板条贝氏体和马氏体组织,贝氏体铁素体的和马氏体板条间及板条间析出许多碳化物。硬度值在32~34 HRC之间,说明回火后的冷却速度对硬度的影响很小。冲击韧性由0.1℃/s时的19 J逐惭升高到10℃/s时的27 J,说明回火后的冷却速度确实对冲击韧性有影响。因此在实际生产过程中适当提高回火后的冷却速度对冲击韧性有利。NSM30轧态试样的内耗实验表明,在内耗谱上仅在225℃时出现了一个明显的SKK峰,225℃以后内耗值迅速降低;在200℃、300℃、400℃温度下保温时内耗值在不断下降并逐渐趋于平稳。提高回火温度并延长回火时间均有利于减小钢中的残余应力。NSM30淬火态试样的内耗谱上有两个峰,在50℃有一个内耗峰(Snoke峰);在200℃时出现了一个明显的SKK峰。经不同温度回火处理后,内耗峰随回火温度的升高而逐渐降低,在400℃回火后SKK峰值非常低,而在600℃回火后基本没有内耗峰。这说明经600℃回火的试样中过饱和固溶的C极少,大量C主要以碳化物方式存在。通过对模具钢成分及相关生产工艺进行优化后,生产的模具钢板夹杂物控制良好,组织及硬度的均匀性明显增加,开裂率由改进前的1.6%降低至0.1%以下,控制了开裂现象。有效的提升了模具钢产品的整体质量水平。