【20CrNi3耐蚀型塑料模具热处理工艺设计9000字（论文）】

III1引言“模具”是用来替代传统切削加工工艺的工具，是现代制造业的基础，也是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。近年，随着我国广东、江苏、浙江等地制造业的飞速发展，国内模具用量一直处于增长阶段。模具材料的主要种类有塑料模具钢、热作模具钢、冷作模具钢及特殊性能模具钢，占比分别约50%、20%、28%及2%，其中塑料模具钢的占比最大，在企业模具材料产品结构中占比也最大。图1-1模具钢种类及占比以20CrNi3塑料模具钢为例，2015年以前受冶炼装备及技术水平限制，长期以来产品夹杂物控制水平较低，成分控制精度差，产品存在严重的偏析问题，硬度波动较大。最大的问题是材料的抛光性及耐蚀性能较差。经常收到抛光质量、耐蚀性能相关的质量异议。并且下游模具厂商很多设备需要海运出口，长时间的海运过程中就时有模具锈蚀的情况发生，给用户造成了较大的经济损失。由于抛光、耐蚀性能差的质量异议造成的经济损失累计上百万。用户宁愿花费成倍的成本购买进口产品，20CrNi3塑料模具钢市场丢失严重。另一个重要的问题是产品通常以退火态或者预硬态发货到中间商，再分销到各下游模具生产用户。中间的加工、热处理分别由不同的商家承担，很难与所有的厂家充分沟通。加之，对自身材料的基础研究数据积累不足，且受矿石品位的限制，模具钢产品残余V、Ti等微量元素较多，组织性能与其他产品存在较大的差异，对产品的性能不能充分把握。这些因素都严重的制约了产品的提升。在当前市场及国际形势下，高端模具钢的研究及发展，无论对企业还是对国家都是至关重要的。企业应结合自身资源、技术及市场等优势，开发出成套的产品质量控制、工艺技术及理论体系，形成具备各自特色的模具钢系列产品。在未来，逐渐规范化，建立统一的检测、生产、评价标准，实现我国模具钢生产的标准化、精细化控制。因此，开展模具钢热处理工艺研究是十分必要的。本文以20CrNi3耐蚀型塑料模具钢为研究对象，通过对材料成分均匀性、夹杂控制水平的研究，评价工艺水平现状。并开展系列淬火、回火处理工艺下，获得材料的基础性能数据，以及热处理工艺对这些使用性能的作用原理，最终为产品的性能提升及系列化改进提供理论依据。2塑料模具钢概述2.1塑料模具钢简介塑料模具钢是用于塑料模制造的最常见钢材之一，基础合金成分一般为Cr和C，含铬量通常在12wt.%~18wt.%，含碳量在0.1wt.%以上。为了提高材料的耐磨性、耐蚀性及淬透性等综合性能，各生产厂往往还添加有不同含量的Mo、Si、Ni、V、N等元素。除合金元素外，控制P、S等有害元素也是十分重要的。P在凝固过程容易偏析，后续工序在晶界偏聚，增加钢的脆性。S为非金属夹杂，易与Mn结合形成MnS夹杂，降低材料的等向性能及耐蚀性能。P、S含量应尽量降低。2.2塑料模具钢性能需求塑料模具钢大都用于塑料模具的型腔、芯棒或基座等零件加工。不同用途的性能需求不尽相同。但大致可归为一下几方面：（1）足够的耐磨性、强度及硬度：对于热成型类注塑模具，使用过程中，型腔承受有较大的压应力，一般为25.0MPa~45.0MPa，部分特殊使用的注射模压力可能高达300MPa以上。因此，对材料的强度、硬度具有一定的要求。耐磨性是模具使用寿命的重要保障。但是，由于耐磨性评价相对复杂，且与硬度具有强相关性，一般只约定材料的硬度性能。（2）抛光质量：对于大多数塑料模具型腔，为保证产品的外观质量及表面脱模，要求材料具有较好的抛光质量。对于一般塑料模具，Ra小于0.4μm即可，要求较高的注塑型腔表面Ra则要求控制在0.1~0.25μm的水平，对于部分用于光学镜面产品成型的模具，Ra可能需要小于0.01μm。（3）耐蚀性能：塑料模具使用的绝大多数场景（如阻燃剂、ABS树脂等），模具所处环境，都存在如HCl、HF和SO2等腐蚀性气体，材料表面极易发生锈蚀。因此，对模具材料有一定的耐蚀性能要求。（4）其他加工性能：塑料模具钢一般还对导热性、焊接性及可加工性等有不同程度的要求。但是这些性能一般与材料的成分体系相关，如导热性需要降低材料的合金含量，焊接性需求材料C等合金元素较少，可加工性则需要材料含有微量的S元素。当钢种选材确认后可调整的范围就很小了。不同的模具的性能需求不同，有些性能之间还相互制约，因此需要考虑具体的用途，进行相应的选材及加工工艺设计。2.3塑料模具钢热处理研究现状热处理是模具材料获得所需性能的必须工序，模具类零件的热处理比例接近100%，现基本已形成标准化的流程。塑料模具钢热处理工艺，一般包含退火+淬火+回火工序。交货状态一般为退火态或预硬态。由于模具钢合金含量高，锻造或轧制后组织硬度不均，存在网状碳化物偏析。若直接进行后续工序，异常组织将遗传至成品，严重影响材料的使用性能。通过高温热处理，可以消除大部分的元素偏析。这种高温处理可分为均匀化退火、球化退火及正火。均匀化退火，是利用高温扩散原理，消除材料枝晶偏析的方法，可有效降低Cr、Mo、V等元素偏析。正火与球化退火是材料机械加工前的一种先行工艺，用于消除冶金及加工过程中的组织性能缺陷，可提高材料加工性能。钢材在锻造后进行球化退火，可消除残余应力、消除加工硬化、使合金碳化物趋于均匀分布。淬火是将钢加热到奥氏体化温度以上，可为Ac1或Ac3，保温然后通过一定的冷却速度冷却，获得均匀、细小的马氏体组织的工艺。从而获得足够的硬度。材料淬火后的组织不稳定，存在较大的内应力且加工性能较差，必须经过回火处理才能使用。回火处理也是材料获得不同硬度、塑性及韧性组合的重要手段。回火过程的碳化物析出控制对材料的性能也十分关键。3热处理工艺设计及其对20CrNi3组织和硬度的影响3.1淬火工艺及其对组织和硬度的影响研究淬火是塑料模具钢获取所需组织和强度性能的必需工序，一般需要将钢加热到Ac1或Ac3温度以上，保温一段时间，使之奥氏体化，然后以大于临界的冷却速度，降温至马氏体转变温度以下的工艺。其加热过程是材料奥氏体转变的过程，受到原子扩散的影响。奥氏体形成的速度主要受材料成分、初始组织以及加热温度的影响。其中，加热温度是最主要的影响因素。淬火冷却过程则需要合理控制冷速，使材料获得均匀的马氏体组织，避免出现珠光体或贝氏体组织。在此前提下，应避免冷却速度过大导致材料内应力增加，带来变形及开裂等不利影响。目前，淬火冷速主要受材料特性及冷却介质的影响。对于特定的材料一般通过选用合适的淬火介质，来控制其冷却转变，行业内20CrNi3塑料模具钢一般采用矿物油作为淬火介质。但是由于各生产厂20CrNi3塑料模具钢成分及生产工艺的细微差异，材料的相变及性能可能存在不同。为研究不同淬火加热温度下20CrNi3耐蚀型塑料模具钢的性能及组织构成，使碳化物尽量融入基体，提高合金利用率。同时，兼顾厂家降低热处理能源成本需求。本文以淬火加热温度为变量，采用矿物油连续冷却的方法进行了系列淬火实验，以研究材料在不同温度下的组织性能转变规律及的最佳淬火温度。注：Ac1为加热过程珠光体转变为奥氏体的起始温度；Ac3为加热过程铁素体向奥氏体完全转变的终止温度；3.1.1淬火工艺首先，利用Thermo-Calc软件计算材料的平衡态相转变，软件版本为2016a，数据库为铁基合金数据库TCFE9。所用成分体系为Cr13塑料模具钢的主要合金元素：C-0~0.6wt.%，Si-0.35wt.%，Mn-0.45wt.%，Cr-13.0wt.%，Ni-0.2wt.%，压强设置为1.0×105Pa，计算温度区间为600~1600℃。结果可获得材料平衡态的相图和性质图，如图3-1所示。通过相图，可获取不同碳含量材料发生组织转变的温度及相组成。通过性质图，可分辨不同相含量随温度的变化规律。由图可知，材料奥氏体化开始温度约为800℃，在820℃左右α-Fe消失，在1000~1350℃奥氏体稳定化。但是在1330℃左右开始出现δ-Fe。M23C6碳化物在1010℃左右转变为M7C3型碳化物，在1060℃左右碳化物完全消失。（a）相图（b）性质图图3-1材料平衡相图及性质图结合Thermo-Calc计算结果，考虑用户降低热处理成本需求及获得更多的材料基础数据，淬火温度选定在980~1160℃，在该温度段，材料奥氏体稳定化，碳化物逐渐融入基体。采用每20℃一个工艺的淬火实验，共计10个工艺。淬火实验在感应箱式加热炉中进行，实验炉控温精度±1℃。淬火工艺流程采用用户提供的现行成熟的模具钢淬火工艺：材料室温入炉加热到860℃保温30min，继续加热至淬火温度保温＞30min，出炉直接油淬连续冷却至50~70℃，淬火工艺流程见图3-2。图3-2淬火工艺3.1.2淬火组织分析淬火过程需要获得均匀细小的马氏体组织，从而获得合适的使用性能。将试样按淬火温度从低到高依次编号为A~J，编号与淬火温度对应关系如表3-1所示。将显微组织照片编号增加第二位区分放大倍数，1放大倍数为500倍，2放大倍数为1000倍。淬火后按GB/T13298标准进行金相制样，通过500倍视场观察试样的组织构成、碳化物分布及数量，并进行晶粒度等级评价，通过1000倍视场观察试样的碳化物和马氏体形态。通过金相观察，随着淬火温度的升高钢中的碳化物逐渐减少溶入基体，结合热力学平衡性质图，中M23C6碳化物逐渐开始向M7C3转变，直至完全溶解，基体有效合金含量增加。碳化物分布从980℃淬火时的密集分布，逐渐稀疏弥散分布，在淬火温度约1080℃时，碳化物完全溶入基体。此处，碳化物实际完全溶解的温度与材料平衡性质图的计算结果存在约20℃的差异，可能由两方面的原因导致：一方面热力学平衡相图计算无法将所有的合金元素都纳入计算，因此存在计算偏差；另一方面，淬火过程并不能达到完全平衡转变的条件，因此也存在偏差。碳化物形态从链状，逐渐演变为小颗粒状，直至不可见。此外，随着淬火温度的升高，试样晶粒逐渐长大，晶粒度级别变小，从9.5级逐渐变为2.0级，马氏体逐渐粗化，残余奥氏体的含量增加。图3-3淬火晶粒度变化规律表3-1淬火样金相结果试样编号淬火温度/℃组织鉴定碳化物数量碳化物形态奥氏体晶粒度（级）A980淬火马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体晶界密集分布沿晶界链状分布9.5B1000淬火马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体晶界均匀分布沿晶界均匀分布，少部分链状分布9.0C1020淬火马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体晶界均匀分布晶界处颗粒较小8.0D1040淬火马氏体+残余奥氏体+未溶碳化物晶界弥散分布部分晶界处小颗粒状8.0E1060淬火马氏体+残余奥氏体晶界弥散分布部分晶界小颗粒状5.5F1080淬火马氏体+残余奥氏体晶界弥散分布小部分晶界可见小颗粒5.0G1100淬火马氏体+残余奥氏体未见明显碳化物—2.5H1120淬火马氏体+残余奥氏体未见明显碳化物—2.0I1140淬火马氏体+残余奥氏体未见明显碳化物—2.0J1160淬火马氏体+残余奥氏体未见明显碳化物—2.0A1980A1980℃淬火A2980℃淬火A2980℃淬火A2980℃淬火B11000℃B11000℃淬火B21000℃B21000℃淬火C11020C11020℃淬火C21020C21020℃淬火D11040D11040℃淬火D21040D21040℃淬火E11060E11060℃淬火E21060E21060℃淬火F11080F11080℃淬火F21080F21080℃淬火G11100G11100℃淬火G21100G21100℃淬火H11120H11120℃淬火H21120H21120℃淬火I11140I11140℃淬火I21140I21140℃淬火J11160J11160℃淬火J21160J21160℃淬火图3-420CrNi3塑料模具钢淬火组织3.1.3淬火温度对硬度的影响获得足够的强度及硬度性能是淬火的另一个重要的目的。合适的强度及硬度是模具使用寿命的重要保障。对于20CrNi3塑料模具钢一般仅对淬火硬度提出要求，根据JB/T6057淬火硬度规定值为50~54HRC，实际用户要求大于50HRC即可，不做上限要求。淬火后使用平面磨床将试样表面磨平，磨削厚度大于0.2mm，然后使用600MRD数显硬度计在边部和中心各取5点进行HRC硬度测试，如图3-5所示。求出各试样的硬度测量值的平均值和偏差，如表3-2所示。从硬度测试结果来看，淬火硬度分布在50~60HRC之间，均能满足用户对于硬度的要求。同一试样的硬度波动最大为2.3HRC，材料硬度均匀性控制较好。图3-5硬度检测点分布示意图表3-2不同淬火温度试样的硬度及偏差/HRC编号淬火加热温度HRC平均值HRC偏差A98052.842.3B100054.461.3C102057.141.7D104057.781.2E106058.411.9F108059.261.2G110058.500.9H112057.941.3I114057.141.9J116055.461.5将不同温度淬火试样的淬火温度及硬度平均值绘制成曲线，并用短竖线标识试样硬度的最大值及最小值，如图3-6所示。结果表明，随着淬火温度升高，试样的HRC硬度先增大后减小。淬火温度为980~1020℃时硬度值相对较低，但上升速度快；淬火温度为1020~1080℃时硬度值相对较高，上升速度减缓；淬火温度为1080~1140℃时，硬度值缓慢下降，下降速度约与1020~1080℃区间的上升速度相等；1140℃之后硬度下降速度有增加趋势。从试样表面硬度波动情况来看，在淬火温度为980~1020℃及1140~1160℃时，材料的硬度波动趋于变大。图3-6淬火试样平均硬度分布结合淬火组织材料硬度变化主要受3方面因素的影响：1、碳化物固溶，基体合金含量尤其是碳含量的升高，有利于硬度的增加；2、晶粒度长大，导致的硬度降低。晶粒度、淬火温度、硬度的变化规律如图3-7所示；3、残余奥氏体的增加，导致硬度降低。980~1020℃淬火时，密集的碳化物快速溶于基体中，合金强化作用大于晶粒长大及残余奥氏体原因导致的硬度降低作用，硬度快速升高；1020~1080℃淬火时，碳化物呈粒状沿晶界弥散分布，溶解速度降低，硬度升高速度降低，整体仍呈上升趋势；1080~1140℃淬火时，碳化物基本完全溶解，晶粒继续缓慢长大，残余奥氏体增加，硬度开始下降；1140~1160℃淬火时，材料发生组织转变，残余奥氏体快速增加，硬度下降速度加快。图3-7淬火硬度与晶粒度变化规律因此，从显微组织及硬度角度，为了提高材料的耐蚀性能及合金的利用效率，淬火温度最低不能低于1020℃，最高不超过1080℃，应控制在1040℃左右为宜。在该温度淬火，一方面可以形成单相马氏体淬火组织，避免出现双相组织，导致耐蚀性能降低；另一方面材料中碳化物能大部分溶解，提高耐蚀性能，未溶解碳化物减少也将提高材料抛光的三维表面质量，还能降低温度更高造成的热应力裂纹增加的情况。3.2回火工艺及其对组织和硬度的影响研究根据JB/T6057标准，塑料模具钢淬火后，需进行不少于两次的回火处理。以消除或减轻残余奥氏体带来的不利影响，获得稳定的回火组织，同时消除残余应力。此外，还可以略微降低材料的硬度，获得一定的加工性能。一般20CrNi3塑料模具钢作为吹塑等模具材料使用时，先在退火态或预硬态，机械加工成所需型腔，然后经过淬火和150~300℃低温回火处理，最后经过抛光、渗氮等工艺后投入使用。也有部分厂家，预硬态直接加工使用。为兼顾不同的使用环境，获取不同回火温度下，材料的组织性能变化规律，本文回火区间设置为150~650℃。3.2.1回火工艺作为材料使用前的最终热处理工序，回火处理前需要先进行淬火处理。根据前文对不同淬火温度材料组织性能的研究及用户实际热处理工艺，采用淬火加热温度为1030℃。然后进行回火处理，每个回火温度进行两次，每次回火的保温时间大于2h。工艺流程如图3-8所示。图3-8回火工艺回火作为产品最后一道热处理工序，其组织性能，决定了材料的最终使用性能。因此，对回火试样的金相组织、SEM扫描电镜组织及硬度进行了检测。将试样按回火温度从低到高依次编号为(a)~(p)，试样编号与回火温度对应关系如表3-3所示。金相组织，扫描电镜，硬度试样使用同一编号体系。表3-3试样编号与回火温度对应关系编号回火温度/℃a150b200c200d280e300f350g400h450i500j520k540l560m580n600o620p6503.2.2回火金相组织分析材料淬火+不同工艺回火处理后，使用线切割机取金相试样，按标准进行金相制样。使用AxioObserver.5m型金相显微镜进行组织观察，结果如图3-9所示。试样组织主要为回火马氏体+碳化物。1000倍显微镜下可见的碳化物与淬火态碳化物形态及分布相识，呈球形颗粒状，沿晶界均匀分布，应为淬火工序未溶碳化物。未见明显的链状分布碳化物。均匀的回火马氏体组织及碳化物分布有利于材料的抛光及耐蚀性能。(a(a)150℃((b)200℃((c)200℃((d)280℃((e)300℃((f)350℃((g)400℃((h)450℃((i)500℃((j)520℃((k)540℃((l)560℃((m)580℃((n)600℃((o)620℃((p)650℃图3-9不同温度回火试样金相组织3.2.3回火温度对硬度的影响材料的硬度性能需求主要由淬火过程满足，回火后由于残余应力的消除及组织变化，硬度反而降低。对于20CrNi3塑料模具钢，回火过程主要目的为消除残余应力，提高组织稳定性，并且保持相对较高的硬度，从而提高模具抵抗变形和磨损的能力。对于硬度数值并不做具体要求。本文对回火硬度研究的主要目的是，探索硬度随回火温度的变化规律，并结合金相结果分析显微组织与硬度的相互影响机理，为进行产品质量升级提供参考。按淬火硬度检测试样相同的方法，取回火试样进行HRC硬度检测。试样表面硬度与回火温度的关系见表3-4和图3-10。对存在明显异常的d-280℃回火试样及n-600℃回火试样进行剔除。结果可见，回火试样的硬度分布在27~54HRC之间。与淬火试样相比，回火后材料硬度明显降低，1030℃淬火后试样表面硬度为57HRC左右。150~450℃回火后，硬度为49~53HRC左右。材料保持相对较高的硬度，并随着温度升高略微增加；回火温度大于500℃后，回火硬度迅速降低；至620℃以上时，试样硬度稳定在28HRC左右。回火处理后，材料硬度偏差明显较低。

表3-4试样回火硬度HRC编号回火温度/℃HRC平均值偏差a15049.001.9b20050.181.4c20050.000.8d28042.388.9e30050.182f35051.680.5g40051.422.8h45053.420.9i50044.380.7j52039.160.5k54036.441.2l56034.241.6m58033.560.6n60034.160.9o62027.680.7p65027.880.9用材料的硬度平均值，作回火温度-硬度曲线，并使用短竖线标识最大值最小值，结果如图3-10所示。曲线分为明显的三个阶段：150~450℃的硬度缓慢增加阶段；500℃~620℃的硬度快速下降阶段；620~650℃的硬度保持稳定的阶段。图3-10回火试样硬度分布结合材料的显微组织进行分析。回火温度为150~450℃时，组织构成以板条状马氏体和碳化物为主。析出的少量碳化物并不会引起基体合金元素的贫乏。而析出的碳化物在晶界附近产生钉扎作用，形成晶界强化，使材料的硬度增加。但是由于析出物数量较少，导致硬度上升幅度不明显。回火温度在500~620℃时，由于元素扩散能力的提高及马氏体的分解，基体中的C、Cr等合金元素快速析出形成碳化物，马氏体逐渐转变为回火索氏体，材料硬度迅速降低。当回火温度大于620℃后，材料基体中的合金元素扩散与碳化物形成达到平衡状态，碳化物形成长大速度变慢，碳化物形态数量不再明显变化，硬度趋于稳定。通过文献调研及工程实践，从提高耐蚀性角度，应尽量降低材料中小颗粒碳化物（回火析出碳化物）的数量，一般建议回火温度不应超过350℃。对于必须采用高温回火的材料（预硬态交货），应尽量使析出的碳化物粒径及分布趋于均匀，回火温度应高于600℃。从提高抛光表面质量来讲，由于回火过程析出的碳化物形成局部的硬度波动区，形成局部的应力集中，影响材料的抛光性能。所以为获得更高的抛光质量应尽量采用低的回火温度。若因为工艺需求必须采用高的回火温度，建议从提高淬火温度、减少未溶碳化物思路入手。3.3淬火-回火处理对20CrNi3硬度的交叉影响由于淬火后，材料的机械加工性能差、残余应力很高，很少直接用于模具制造。因此，本文选取980℃、1020℃、1060℃、100℃、1140℃的淬火试样，分别进行两次300℃的低温回火及620℃的高温回火。对回火后的试样进行硬度对比，从而侧面评价不同淬火温度-回火温度对材料使用性能的交叉影响。不同工艺的硬度如表3-5所示。在300℃回火时，试样的硬度维持在50HRC左右，比淬火硬度降低，且下降幅度随着淬火温度的升高而增加；620℃回火时，随着淬火温度升高，硬度升高，从26HRC升高到32.5HRC。与淬火硬度的下降幅度基本在26HRC左右。这是因为300℃低温回火时，基体中的合金元素析出较少，这时试样间的硬度差异主要由淬火组织强化硬度及热处理残余应力释放共同决定。620℃高温回火时，材料基体中的合金元素会大量析出，与C形成碳化物。此时，高温淬火的试样碳化物中的合金元素融入基体多，在析出后基体中合金含量就高于低温淬火试样，这就造成高温淬火+高温回火试样硬度大于低温淬火+高温回火。表3-5相同回火温度不同淬火温度试样硬度淬火温度/℃淬火硬度HRC300℃回火620℃回火回火硬度HRC硬度降低HRC回火硬度HRC硬度降低HRC98052.8449.73.1426.1626.68102057.1450.266.8829.6827.46106058.4150.427.9931.1427.27110058.551.546.9632.8825.62114057.1447.969.1832.5424.6图3-11相同回火温度不同淬火温度试样硬度分布4结论本文以20CrNi3耐蚀型塑料模具钢为研究对象，结合用户实际使用情况及材料组织转变规律，对不同热处理工艺下材料的组织性能、抛光质量及耐蚀性能等使用性能进行了研究，得到如下结论：（2）淬火实验表明：淬火硬度分布在50~60HRC之间。淬火硬度分为快速增加（980~1020℃）、缓慢增加（1020~1080℃）、缓慢下降（1080~1140℃）、快速下降（1140~1160℃）4个阶段。在淬火温度区间为980~1020℃及1140~1160℃时，材料的硬度波动趋于变大。从显微组织角度：随着淬火温度升高，晶粒逐渐长大，晶粒度由9.5级增大到2级；未溶碳化物逐渐降低，在约1080℃时完全溶入基体；残余奥氏体量随着淬火温度增加，逐渐增加。合金强化导致的硬度增加与晶粒长大导致硬度下降相互作用，是