P80高级塑料模具钢热处理生产工艺的试验研究

　　近年来塑料模具行业的快速发展对塑料模具钢的质量提出了更高的要求。低碳中合金沉淀硬化塑料模具钢具有良好的综合性能，主要用于高级精密塑料模具，以日本牌号NAK80为典型代表[1-2]。国内钢厂在此成分设计的基础上也开发了25CrNi3MoAl 等沉淀硬化模具钢，采用油淬与高温回火处理，其硬度达到40~45HRC。为了进一步提高沉淀硬化模具钢的质量与产量，减少进口，近几年来国内钢厂试图利用控轧控冷生产线来生产不同厚度热轧钢板，再进行回火处理。但生产实践表明，采用NAK80成分的热轧厚板(大于80mm)在热轧加回火后的硬度及其均匀性有时不稳定[3-6]。因此，通过一定的成分调整，在轧制后实施控冷并优化回火工艺来提高模具钢硬度及其均匀性具有重要的现实意义。

　　笔者对南钢沉淀硬化塑料模具钢(P80)试样进行正火加回火、淬火加回火的工艺试验，比较研究2种不同工艺对P80试样组织、硬度及其均匀性的影响，同时对100mm厚试验钢板进行淬火、正火加回火热处理工艺下的组织与硬度研究，探讨正火加回火来替代淬火加回火工艺的可能性，为采用热轧控冷来实际生产P80厚板提供工艺基础。

　　1 试验材料与方法

　　P80 钢主要元素的化学成分(w/%)为：C0.09~0.12;Mn 1.60~1.80;Al 0.80~0.90;Cr0.80~1.00;Ni2.8~3.2;Cu 0.8~1.0及其它元素。测得试验钢的Ac3为798℃。试样取自20，100mm厚的热轧钢板。在20mm板上取若干20mm的小方块试样，在100mm厚板上取100mm的大方块试样。小方块试样热处理工艺为850℃保温20min空冷，在200~700℃范围内每隔100℃保温90min进行回火。大方块试样热处理工艺为850 ℃保温60 min空冷，500℃保温150min回火。在沿试样中心纵剖面测试沿厚度方向的组织及剖面洛氏硬度。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)进行显微组织观察。

　　2 试验结果及分析

　　图1所示为P80小方块试样在淬火加不同温度回火以及正火加不同温度回火时的SEM组织形貌。由图1可以看出：不论是淬火还是正火组织均具有明显的板条特征，淬火后得到板条马氏体组织，300℃回火后得到回火马氏体组织，500℃回火后除回火马氏体组织外，还有少量回火屈氏体组织;正火后得到马氏体与贝氏体的混合组织，500℃回火后得到回火马氏体、贝氏体及少量回火屈氏体的混合组织。由于P80中含有较多的合金元素，具有良好的淬透性，且试样尺寸较小，油冷或空冷时得到马氏体及贝氏体组织。在500℃回火过程中，马氏体及贝氏体会发生分解转变，且在板条内有第二相粒子析出[7]。

　　图2所示为P80试样在淬火及正火后不同回火温度下的硬度曲线，两者具有相同的变化趋势。随着回火温度的高，硬度先有所降低，400℃硬度开始回升，到500℃时硬度达到最高值后又开始下降。由于P80钢是中合金钢，回火稳定性好，在较低温度回火时，过饱和固溶度降低，硬度有所下降。当回火温度达到500℃时，合金元素Cu，Al，Ni，Cr 等开始显著扩散，在回火马氏体板条及贝氏体板条内会析出大量的第二相粒子，如Ni-Al化合物、Cu以及碳化物，形成良好沉淀硬化效应，硬度明显提高。淬火比正火冷却速度快，马氏体中过饱和度高[7-8]，因此淬火加回火后的硬度值总体上高于正火及其回火后的硬度值(ΔHRC3)。