模具钢热处理十种组织缺陷分析及对策

1、模具钢热处理十种组织缺陷分析及对策王荣滨（南弯工具厂江西 330004摘 要 讨论了模具钢十种热处理组织缺陷及消除方法，可产生明显经济效益 和社会效益。关键词模具钢组织缺陷对策Abstract This paper analyzes ten kinds of microstruture defect of heat treatment moldsteel,and it also gives the relative solutions to avoid defects,which can obviously bringabout the econo mic ben efit.K eyw ord

2、s mold steel microstructure defect countermeasures钢的物理性能、化学性能和力学性能决定钢的热处理组织，正常组织赋予 钢产品优异性能和高寿命；热处理组织缺陷恶化钢的性能，降低模具产品质量和使用 寿命，甚至产生废品和发生事故。因种种原因，钢热处理主要有十种组织缺陷，分析原 因，采取对策,提高模具使用寿命，有显著技术经济效益。1奥氏体晶粒粗大钢奥氏体晶粒定为13级,1级最粗,13级最细。13级为粗晶粒,46级为中等晶 粒,79级为细晶粒,1013级为超细晶粒。晶粒愈细，钢的强韧性愈佳，淬火易得到隐 晶马氏体；晶粒愈粗，钢的强韧性愈差，淬火易得到脆性大

3、的粗马氏体。实践证明，奥 氏体形成后，随着温度升高和长时间保温，奥氏体晶粒急剧长大。当加热温度一定时 快速加热奥氏体晶粒细小；慢速加热，奥氏体晶粒粗大。奥氏体晶粒随钢中 W、 Mo、V元素增加而细化，随钢中C、Mn元素增加而增大。钢最终淬火前未经预处 理，奥氏体晶粒愈粗化，淬火得粗马氏体，强韧性低,脆性大。仪表跑温，晶粒粗化，降低 晶粒之间结合力，恶化力学性能。对策一合理选择加热温度和保温时间。加热温度过低，起始晶粒大，相转变缓慢； 加热温度过高，起始晶粒细，长大倾向大，得到粗大奥氏体晶粒。加热温度应按钢的临 界温度确定，严格仪表精密控温，保温时间按加热设备确定。合理选择加热速度，根据 过热度

4、对奥氏体形核率和长大速率影响规律，采用快速加热和瞬时加热方法细化奥 氏体晶粒，如铅浴加热、盐浴加热、高频加热、循环加热、真空加热和激光加热 等。最终淬火前预处理细化奥氏体晶粒，如正火、退火、调质处理等。选用细晶粒 钢、电渣重熔钢、真空精炼钢制造模具等措施。2残余奥氏体过量钢件淬火冷却时过冷奥氏体转变成淬火马氏体，过冷奥氏体不能100%转变为淬 火马氏体，未完全转变的过冷奥氏体为残余奥氏体。淬火马氏体经不同温度回火后 转变为不同回火组织，达到所需组织性能。残余奥氏体在回火过程中可部分转变为 马氏体，但因材料和工艺不同，残余奥氏体可多可少保留在使用状态中。保留少量残 余奥氏体有利增加钢的强韧性、松

5、驰残余应力、延缓裂纹扩展、减少变形等。但残 余奥氏体过量将降低钢的硬度、耐磨性、疲劳强度、屈服强度、弹性极限和引起组 织不稳定，导致服役时发生尺寸变化等不利因素。因此，钢中残余奥氏体不宜过量。对策一按照模具服役条件，合理选择淬火加热温度，因模具钢含有大量降低马氏 体点（Ms的合金元素，过高淬火加热温度会使钢中碳和合金元素大量溶入高温奥氏 体中,奥氏体合金化程度高，增加奥氏体稳定性，使过冷奥氏体不易发生马氏体相变，有 较多残余奥氏体保留在淬火组织中，因此，淬火加热温度应适中。分级淬火和等温淬 火保留较多残余奥氏体，因此,采用中温预回火和多次高温回火，促使在高温回火冷却 过程中残余奥氏体发生马氏体

6、转变。其次，淬火后经短时低温回火后进行- 60C120C零下冷处理,实质是淬火的继续，促使残余奥氏体较充分转变为马氏体，温 度越低，转变量愈多。依据产品结构和模具特点采取不同方式按需控制残余奥氏体 量,获得满意组织性能。3魏氏组织多发生含碳量 0.6%勺亚共析钢，当钢锭从10001200C高温奥氏体状态经长时 间保温和缓慢冷却扩散退火时，游离铁素体从奥氏体晶界及沿解理面以微细格子状 或块状析出，形成具有一定位向的片状组织,晶粒粗大，即是魏氏组织。魏氏组织存在 钢中力学性能低劣，脆性转变温度升高。在钢的临界区形变后再结晶热处理，也会形 成晶粒粗大的魏氏组织。先共析铁素体呈网状分布于晶界，呈块状分

7、布于晶内或呈针状沿奥氏体一定晶面分布也是魏氏组织，常规热处理无法消除，它是典型的过热组 织,保留在使用状态中易发生突发事故，必须采取对策消除。对策一对钢材进行改锻，经34次双十字形镦拔可击碎网状、块状、针状铁素 体,使之细化并均匀分布和充分溶解于高温奥氏体中，得到在A1相变点处奥氏体微 细化结构。锻热固溶调质预处理能显著改善材料显微组织结构，再经正常热处理达 到组织性能技术条件。轻微魏氏组织可采用完全退火或正火加以消除。严格原材料 入库检查，有魏氏组织钢材不投产。在保护气氛炉中加热，避免热处理时严重氧化脱 碳和在临界区形变。提高钢材纯洁度，选用二次精炼钢等措施。4碳化物不均匀度大碳化物硬而脆，

8、是脆性相，它的大小、形状和分布直接影响钢的性能，对模具性能 影响特大。碳化物不均匀分布，增加钢的过热敏感性。因碳和合金元素富集，降低碳 化物堆集处熔点，造成碳化物堆集处过热、过烧、晶粒粗大和导致淬火组织粗化引 起应力集中，成为裂纹源，导致淬裂。碳化物不均匀分布，引起淬火晶粒粗细大小不均，因碳化物聚集处有大量未溶解碳化物 阻碍奥氏体晶粒长大，则晶粒细；非碳化物堆集处未溶解碳化物数量少，则无法阻碍奥 氏体晶粒长大，此处晶粒粗大。碳化物不均匀分布对基体起切割作用，破坏了金属基 体连续性，使钢的力学性能有明显各向异性。在碳化物堆集处周围的奥氏体淬火加 热时溶解较多的碳化物和合金元素，使该处马氏体转变开

9、始点(Ms降低，为此，增加残 余奥氏体量并易发生稳定化作用，不易通过回火使残余奥氏体转变为马氏体，造成回 火不足。而碳化物堆集处附近晶粒粗大，降低机械强度，导致该处理组织应力增大，易 使堆集处碳化物剥落，造成模具早期失效。对策一采用扩散退火、高温正火和锻热调质固溶预处理，使碳化物溶解于奥氏 体中，达到再处理时重新呈细小、弥散析出而细化。对具有难溶解块状、大颗粒 状、带状、网状和堆集状级别大的碳化物原材料进行改锻，击碎和细化碳化物，经四镦四拔双十字形镦拔锻造，使合金碳化物形貌发生质的飞跃,使之W3级,呈细、小、匀 分布于钢基体并形成沿模具轮廓合理的纤维组织排列，改善显微组织，细化晶粒，增加整体性

10、能，尤其是心部横向性能、刚性，降低过热敏感性，大幅度提高模具使用寿命。5孪晶碳化物析出钢中碳化物的特点是呈平行直线状析出，导致相同产品、相同工艺条件下出现 不同组织、硬度、性能且高低不一，相差悬殊。多发生在4Cr13等马氏体不锈钢中， 因钢件超温加热，钢中碳化物完全溶入奥氏体，导致奥氏体稳定化，在随后退火加热过 程中，碳化物由奥氏体在孪晶界面沉淀，形成与孪晶界面完全相同稳定的碳化物骨架， 沿着奥氏体退火孪晶共格或非共格界面析出平行直线状孪晶碳化物，孪晶碳化物相当稳定，最终淬火加热时不能溶入奥氏体，保留在成品使用状态中，造成力学性能低 劣。过高的锻造加热温度是导致马氏体不锈钢孪晶碳化物析出的根本

11、原因。表1是孪晶碳化物对淬火、回火4Cr13马氏体不锈钢物理、化学性能影响。表13孪晶碳化物对淬火、回火4Cr13马氏体不锈钢物理、化学性能影响孪 晶碳化物形态性能(T bb (MPa f (mm a k (J /cr®蚀速度g/m 2? h外观腐蚀程 度接触疲劳 (N X0-6 磨 损(X10-3mm 3无孪晶碳化物 286228743123189610101002无腐蚀 1319141214131512较小孪晶碳化物 25492561211214587201015少量腐蚀点71881316151713粗大孪晶碳化物20152024019113131701021 大量腐蚀点 416

12、512171818153三组性能试样平均值对策一锻造加热时精密控温，采用下限加热温度与停锻温度和较大锻造变 形量。实验表明，在下限温度始锻和停锻能使4Cr13等马氏体不锈钢奥氏体晶粒细 化至1011级，击碎孪晶碳化物至W3级，呈细小均匀弥散于钢基体，在后续退火过程中 聚集成球状。宜采用多次高温退火，因孪晶碳化物非常稳定，常规退火、淬火无法消 除，为此，将钢件加热至10001100C ,充分保温后以3040C /h缓冷至 50，使孪晶 碳化物破碎，聚集成球状，性能可达到无孪晶碳化物水准。也可将有孪晶碳化物锻件 置于-190C液氮处理2h，消除原来共格和非共格孪晶界面，然后再进行正常退火，可 完全

13、消除孪晶碳化物。6混晶钢在热处理过程中形成晶粒大小不均匀的组织，个别特大的晶粒和特小的晶粒 及中等晶粒群组成，在体积中杂乱分布，形成混晶。试验表明，混晶与均匀晶粒比，持久 强度降低10%15%、抗弯强度（T bb降低15%20%、延伸率S降低15%25%、冲 击韧性a降低10%15%。力学性能大幅度降低，严重降低使用寿命，甚至出现突发 事故。混晶在不锈钢中存在于选择固溶处理温度不当。如1Cr18Ni9Ti钢固溶加热温度w 100©可获得均匀细小晶粒，随着温度升高和保温时间延长，混晶度增加，加热至 1050C混晶度达到峰值。晶粒长大过程与钢中强化相溶解有关，钢中Cr23C6强化相 加热

14、至850©固溶,起不到阻碍晶粒长大作用。TiN、CrN、TiC强化相需加热至 1150© 1200©才固溶，在加热至 115©时均起到阻碍晶粒长大作用。不绣钢在临 界区形变易形成混晶，中等速度固溶加热较易产生混晶。对策一不同牌号不锈钢有一最佳固溶处理温度和快速加热或慢速加热可避免混 晶,避开混晶严重固溶处理温度；选用真空电炉、保护气氛电炉等固溶加热设备或采 用高频、激光快速加热和固溶处理前的预形变应大于临界变形等措施，能有效避免混晶组织产生，获得均匀细小晶粒，提高材料物理、化学与力学性能，有效防止晶间腐 蚀、应力腐蚀和低温、高温脆性发生，提高使用寿命。7

15、非正常珠光体机械冷切削加工钢材的正常组织为粒状或球状珠光体，它有良好切削加工性 能。但有时发现材料难加工，刀具易崩刃和热处理易过热，易畸变及力学性能低劣等 问题。这主要与珠光体形态有关 一非正常珠光体。过冷奥氏体在连续冷却时，在较 高温度下易形成粗片状珠光体，在较低温度下易形成细粒状珠光体，粗细不均匀珠光 体导致机械性能不均匀，硬度偏高或超高，切削加工性能恶化，难加工。共析转变形成 的珠光体是铁素体与渗碳体机械混合物，当珠光体中的渗碳体是片状分布时，硬度较 高220300HB，即片状珠光体难加工、易过热和畸变。当珠光体中渗碳体是球状分 布时，硬度较低W200HB冷切削加工性能优良，热处理时不易

16、过热和畸变，是理想的最 终淬火预处理组织，为正常的珠光体组织。当钢材冶金质量不良，杂质含量偏高，钢中 C、Mn、Mo等元素偏析严重和热处理工艺或操作不当，造成组织性能差异悬殊，凡 是珠光体中的渗碳体不管呈粗片状或细片状均属非正常珠光体组织，既恶化冷、热加工性能又易造成模具最终淬火时过热和畸变，必须消除。对策一严格原材料入库检查，原材料珠光体分为六级，一级和六级不合格，二、三、四、五级合格。高级别精密模具宜选用真空熔炼钢或电渣重熔钢。对不合格原 材料进行改锻，击碎钢中片状碳化物，达到所需级别。对已投产的不合格原材料进行 正火、等温退火、扩散退火或调质预处理消除片状珠光体 ，确保获得球状珠光体，避

17、 免模具最终淬火时发生过热、畸变和磨裂等缺陷。8屈氏体当钢铁零件加热至高于Ac3或Acm时得到高温奥氏体，在随后冷却时，因冷速 不足，导致与该钢S曲线鼻子相碰，过冷奥氏体发生先共析转变，形成屈氏体组织，剩 余过冷奥氏体冷至Ms点以下发生马氏体转变，因冷速不足形成屈体缺陷组织。屈氏体组织特征呈黑色网 状或孤立团块状分布于奥氏体晶界或奥氏体晶内，屈氏体由铁素体与渗碳体组成的 弥散混合物。屈氏体强韧性低，冷切削加工性能差，脆性大，易腐蚀剥落。在所有钢组 织中，最不耐腐蚀的是屈氏体，屈氏体保留在使用状态中，服役时因化学反应和电化学 反应引起金属从表至内组织结构腐蚀破坏，产生应力腐蚀裂纹，导致断裂事故发

18、生。 模具热处理不希望得到此组织。但屈氏体并非无一好处，回火屈氏体弹性最好，可应用于特定条件下经防锈处理的弹簧，因屈氏体最易腐蚀，应用于不受力的某种雕花模 具。对策一选用淬火冷却介质应符合该钢 S曲线和淬透性曲线，淬火冷却速度应 大于该钢临界淬火冷却速度，合理选用钢材,确保大件基体心部达到临界淬火冷却速 度，避免形成表面层为淬火马氏体，内层为屈氏体组织。对于淬透性较低的钢件应避 免分级淬火，防止形成屈氏体。淬火钢尽量回避在 350400C回火，因屈氏体常在此 温度出现。加强对原材料金相组织检查，对有块状屈氏体组织钢材，因常规热处理无 法消除，可进行改锻或充分预处理消除。性能差的屈氏体与性能好的

19、索氏体象是孪 生兄弟，易鱼目混珠，必须加强成品金相检验。对模具表面改性强化处理还可增强模 具抗蚀性。9石墨化钢材轧制和退火时加热温度过高，保温时间过长，冷却缓慢使含Si钢珠光体中 的渗碳体（Fe3C发生分解，Fe3C_3Fe+C析出的自由碳（C即是石墨，石墨很软与基体 不粘合，破坏了基体的连续性，力学性能急剧降低。石墨碳析出使周围碳量减少，出现 大块铁素体组织，既淬不透，也淬不硬，形成软块,硬度很低，强韧性很差。具有石墨钢 材,断口呈灰黑色，是严重组织缺陷，正常热处理无法消除。Si是石墨化元素，当钢中 含Si量w 1.0%2.0%时细化晶粒，强化铁素体 提高奥氏体稳定性、钢的淬透性、淬硬性、屈

20、强比（7 0.2/、c疲强比（/弹性极限等，有较好的固溶强化、沉淀强化和细晶强化效果，为此,冶炼钢中加入Si元素较普遍。但当Si含量2.0%寸,存在较严 重的石墨化、脱碳和过热敏感性倾向，升高脆性转变温度等缺陷，降低钢的强韧性。 必须扬长避短，发挥Si元素优化作用。对策一严格控制模具钢材Si含量< 2.0%加强原材料化学成分检验和宏观断口 检测,Si含量超标者不投产；钢材退火温度不宜过高，保温时间不宜过长，冷却速度 > 7©100C /h。实践表明,采用亚温等温退火，能有效抑制石墨化析出，又有良好冷 切削加工性能。对已有石墨化钢材，宜进行9801000C高温短时扩散退火，

21、尽量使石 墨重新溶入奥氏体中，短时保温后快冷，之后进行正常正火，细化晶粒，再按正常工序热 处理等措施，确保模具钢材质量。10脱碳与氧化钢材脱碳因氧化作用使钢材表面碳量减少现象。当氧化速度比碳向金属外层扩散速度小时则发生脱碳，反之，氧化速度比碳向金属外层扩散速度大时则产生氧化，形 成氧化铁皮。脱碳形成的铁素体晶粒组织有柱状晶粒脱碳和粒状晶粒脱碳两种形 式。钢材脱碳和氧化是国内钢铁热处理普遍存在的问题，既浪费钢材、能源、又严重影响着产品质量和耐用度，而国外先进工业化国家已基本避免。主要是加热设备 与工艺差距大，约落后十年。国内约80%90%钢铁零件在引起氧化、脱碳空气炉内 加热，导致淬火硬度低,形

22、成铁素体软点，降低耐磨性、抗疲劳强度及化学渗层易出现 性86 Die and Mould Techno logy No. 1 1999能差的黑色屈氏体组织，同时造成表层 与心部组织比容差异形成磨削裂纹，严重影响模具质量与使用寿命，甚至产生废 品。钢铁零件在空气炉内加热时，炉中02、2、2 O等气体与钢中Fe发生化学 反应，使其表面氧CO H化生成氧化铁皮剥落。反应式:2 Fe + O2 _ 2 FeO ; Fe + CO2 _ FeO + CO ; H2 O _ O + H2 ;3 Fe + 4 O Fe3 O4 ;2 Fe + 3 O _ Fe2 O3 ; Fe2 O3 + mH2 O Fe2 O3? 2 O mH钢在炉气作用下，