4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化.pdf
《4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、26MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING2023年9 月第47 卷第92023机械工程材料期Vol.47No.9Sep.2023D0I:10.11973/jxgccl2023090054Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化施渊吉,张振?,杨海波,吕穿江2(1.南京工业职业技术大学机械工程学院,南京2 1 0 0 46;2.南京工程学院材料科学与工程学院,南京2 1 1 1 6 7)摘要:测试了4Cr13塑料模具钢的过冷奥氏体等温转变曲线,研究了该钢的等温相变规律,分析了经过不同工艺固溶(1 0 1 0 1 0 90 保温2,3 h)和球化退火(90
2、52 h奥氏体化和7 0 0 770保温5,8 h等温球化)预处理后的显微组织和硬度,并获得最优工艺。结果表明:在7 2 5下试验钢的珠光体形核孕育期最短;经1 0 1 0 固溶处理后,组织中存在大量球状碳化物,当固溶温度为1 0 7 0 1 0 90 时,碳化物基本溶解,马氏体板条束明显粗化,最优固溶工艺为1 0 50 3h,此时碳化物占比较低且弥散分布;随着等温球化温度升高,链状碳化物数量先减少后增多,并且保温8 h后球状碳化物的分布更均匀;1 0 50 固溶3 h十90 52 h十7 50 8 h球化退火后试验钢的球化效果最好,直径小于0.5m的碳化物占比约为7 8.92%,硬度最低,约
3、为1 92 HBW。关键词:4Cr13模具钢;等温相变;球化退火;固溶中图分类号:TG113文献标志码:A文章编号:1 0 0 0-3 7 3 8(2 0 2 3)0 9-0 0 2 6-0 7Isothermal Phase Transformation Characteristics and PretreatmentProcess Optimization of 4Cr13 Mold SteelSHI Yuanji,ZHANG Zhen,YANG Haibo,LYU Chuanjiang?(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing Vocatio
4、nal University of Industry Technology,Nanjing 210046,China;2.School of Materials Science and Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:The isothermal transformation curve of undercooling austenite of 4Crl3 plastic mold steel wastested,and the isothermal phase transfor
5、mation characteristics of the steel were studied.The microstructure andhardness after pretreatment by different solution(holding at 1 010-1 090 C f o r 2,3 h)a n d s p h e r o i d i z a t i o nannealing(austenitization at 905 f o r 2 h a n d i s o t h e r ma l s p h e r o i d i z a t i o n a t 7 0 0
6、-7 7 0 f o r 5 h a n d 8 h)w e r eanalyzed,and the optimal process was obtained.The results show that the at 725 C t h e t e s t s t e e l h a d t h e s h o r t e s tnucleation and incubation period.After solution at 1 o1o C,there were a lot of spherical carbides in the structure.After soluted at 1
7、070-1 090 C,the carbides were basically dissolved,and the martensite lath bundles weresignificantly coarsened.The optimal solution process was 1 050 C X 3 h,and the carbides was disperselydistributed with relatively low proportion.As the isothermal spheroidization temperature increased,the number of
8、chain shaped carbides decreased first and then increased,and the distribution of spherical carbides was more uniformafter holding for 8 h.After solution at 1 050 f o r 3 h a n d s p h e r o i d i z a t i o n a n n e a l i n g b y 90 5 X2 h+7 50 X8 h,the spheroidization effect of the test steel was t
9、he best;the proportion of carbides with a diameter less than O.5 mwas about 78.92%,and the hardness was the lowest of about 192 HBW.Key words:4Cr13 mold steel;isothermal phase transformation;spheroidization annealing;solution收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 5;修订日期:2 0 2 3-0 7-2 4基金项目:江苏省高校青蓝工程优秀青年骨干教师项目;江苏省工业感知及智
10、能制造装备工程研究中心重点项目(ZK22-05-04);江苏风力发电工程技术中心开放基金资助项目(ZK22-03-02)作者简介:施渊吉(1 98 9一),男,江苏如东人,副教授,博士0引言汽车和家电业的迅速发展带动了高镜面塑料制品需求量的逐步增加,4Cr13马氏体不锈钢作为典型的耐蚀镜面塑料模具钢广受关注1-3 。此类模具钢因合金元素铬含量较高,需要进行球化退火来消27MATERIALSFORMECHANICAL ENGINEERING施渊吉,等4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化2023机械工程材料除残余应力、降低硬度以及改善碳化物分布4。球化后的碳化物颗粒形态以及尺寸分布均匀性
11、等是衡量此类模具钢性能的重要指标,同时球化退火处理也为后续热处理奠定了组织基础,继而影响热处理后钢的使用性能5-8 ,大量研究9-1 0 1 表明,当过共析钢加热到A。l(珠光体向奥氏体转变的开始温度)Acm(二次渗碳体完全溶人奥氏体的终了温度)间某一温度时,碳化物不能完全溶解,而会以颗粒的形式分布在奥氏体基体上,当温度降低到Acl以下某一温度时,碳化物会成为形核核心并长大,从而完成球化过程,这个过程被称为离异共析;该过程可实现过共析钢的快速球化退火,从而提高生产效率,降低成本。研究1-1 5表明,球化前的初始组织对退火组织有着显著的影响。在珠光体球化过程中,由于驱动力不同,合金元素与碳元素呈
12、现3 种扩散方式:当驱动力很小时,合金元素和碳元素需要在铁素体和奥氏体间重新分配,而铁素体由于合金元素的分配速率较慢而缓慢生长,该类扩散模型称为分配局部平衡(PLE)模型;在较大的驱动力下,合金元素的宏观分配可以忽略,铁素体的生长受碳扩散控制,生长速率大大加快,在此基础上提出了非分配增长的准平衡(PE)模型和可忽略分配的局部平衡(NPLE)模型1 6 由于现阶段对4Cr13塑料模具钢的球化退火工艺研究较少,未能有效掌握其球化机理,目前模具企业应用的退火工艺波动较大,球化组织控制能力欠缺,导致模具质量稳定性难以达到产品要求。基于此,作者采用膨胀差分仪对4Cr13塑料模具钢的过冷奥氏体等温转变曲线
13、(TTT)进行测试,研究了该钢的等温相变规律,分析了经过不同工艺固溶和球化退火处理后钢的组织和硬度,并获得最优的工艺参数,旨在为优化4Cr13模具钢的组织控制技术提供有益借鉴。1试样制备与试验方法试验材料为自制4Cr13耐蚀塑料模具钢,采用200kg真空感应电炉熔炼,并锻造成截面尺寸为60mm60mm的坏料,化学成分如表1 所示,表1 4Cr13模具钢的化学成分Table1Chemical composition of 4Cr13 mold steel元素CSiMnCrMoNiVSP质量分数/%0.350.900.4913.360.130.210.300.0020.018按照YB/T130一1
14、 997,采用DIL805A型高精度膨胀差分仪对试验钢的TTT曲线进行测试,试样尺寸为4mm10mm,测试环境为真空;以10s-1的速率将试样加热到1 0 3 0,保温15min,通入氮气并以5s-1的速率分别冷却到600,650,700,725,7 50,8 0 0,8 2 5,保温2 0 h,再结合切线法和斜率法来判断等温转变相变点。将试验钢加工成尺寸为1 2 mm12mm12mm的试样,对其进行固溶和球化退火预处理,工艺曲线如图1 所示。其中,固溶处理温度1分别为1 0 1 0,1 0 50,1 0 7 0,1 0 90,保温时间t1分别为0,Xt9052 h0,Xt,2固溶处理球化退火
15、处理时间图14Cr13模具钢的预处理工艺曲线Fig.1Pretreatment process curve of 4Cr13 mold steel2,3 h,固溶结束后使用淬火油进行淬火。根据离异共析原理及相关研究结果1 7,球化退火工艺包括奥氏体化和等温球化2 个阶段。对于过共析钢,奥氏体化温度为AclA c m 间某一温度,而4Cr13模具钢中二次碳化物不是渗碳体,不存在明确的A。ccm.0结合Jmatpro软件计算结果,铁素体、M23C型碳化物、M,C型碳化物完全溶人奥氏体的温度分别为856,1067,1 0 96,因此初步确定奥氏体化工艺为905保温2 h。将奥氏体化的试验钢炉冷至珠光
16、体转变温度区间进行等温球化处理,等温球化温度2分别为7 0 0,7 2 5,7 50,7 7 0,保温时间t2为5,8h,炉冷至3 50,空冷。采用HB-3000型布氏硬度计进行硬度测试,载荷为1 8 3 9N,保载时间为10s,每个试样测5次取平均值。对试样进行磨抛,用体积分数5%硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用MA100型光学显微镜(OM)和ZeissSupra40型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。随机选取1 0 张5000倍SEM照片,采用Image-ProPlus6.0图像处理软件对碳化物的直径分布进行统计。采用SEM附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。28MATERIALS FOR
17、 MECHANICAL ENGINEERING施渊吉,等4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化2023机械工程材料2试验结果与讨论2.1等温相变规律图2 为不同等温温度下试验钢的等温转变膨胀量L及膨胀量导数dL/d t(t 为时间)随时间的变化曲线,统计得到的相变点如表2 所示,其中相变开始和结束时间分别取珠光体转变量(体积分数)为5%和95%的时间。由表2 可知,试验钢在7 2 5下保温时的珠光体形核孕育期最短,温度的升高或者降低都会推迟珠光体转变。825 825800800750P/(TV)p750un/TV725725700700650650600600012341234时间/(
18、1 0 4s)时间/(1 0 4s)(a)膨胀量随时间变化曲线(b)膨胀量导数随时间变化曲线图2 试验钢在不同温度等温转变过程中膨胀量与膨胀量导数随时间的变化曲线Fig.2 Curves of expansion amount vs time(a)and derivative of expansion amount vs time(b)of test steel duringisothermal transformation at different temperatures表2 试验钢的相变点Table 2Phase transformation points of test steel等温
19、温度/相变开始时间/s相变结束时间/s600950431449650892434070037014047252641398750770228380010455145825152430096图3 中M,为马氏体转变开始温度。由图3 可见,在7 2 58 2 5范围,珠光体转变开始时间随等温温度的降低而缩短。这是由于随着等温温度的降低,奥氏体的过冷度增加,为碳化物的析出提供了更大的热力学驱动力1 8 ,同时当等温温度高于7 2 5时,碳、铬原子的长程扩散能力得到充分保证。在725时的珠光体形核孕育期最短。在6 0 0 7 2 510001030奥氏体化,保温1 5minA=840800珠光体。60
20、0400M,=256 200马氏体101102103104105时间/s图3试验钢的TTT曲线Fig.3TTT curve of test steel范围,随着温度的降低,奥氏体的过冷度进一步增加,但由于该温度范围未能提供足够的扩散驱动力,原子活动能力减小,导致珠光体形核速率迟缓,并且无法通过扩散弥补形核附近碳、铬元素的贫化趋势1 9,因此珠光体形核的孕育期延长,转变明显推迟,2.2显微组织由图4可以看出,经1 0 1 0 X2h固溶处理后,试验钢中马氏体板条上存在大量尺寸为1 3m的不规则球状第二相,并于局部区域聚集,呈现链状形态。对比1 0 1 0 3 h以及1 0 50 2h固溶处理后的
21、组织发现,相较于延长保温时间,提高固溶温度能够更有效地促使第二相溶人基体组织。经1 0 50 X3h固溶处理后,第二相颗粒占比显著减小,并且弥散分布于基体中,不再呈现链状形态。结合图5分析可知,此类第二相为未溶的铬、钒系碳化物,推测应为富铬的M23C。型二次碳化物,由于固溶了较多的钒和钼,其稳定性较高。当固溶温度提高至1 0 7 0 1 0 90 后,碳化物已经基本溶解,但马氏体板条束明显粗化,表明伴随着碳化物对晶界钉扎作用的逐渐消失,晶粒显著长大。研究1 5表明,固溶温度过高易引起晶粒尺寸增大,对后续热处理产生不良的组织遗传影响。综上,随着固溶温度的提高和保温时间的延长,试验钢中碳化物的溶解
22、程度逐渐加大,但当固溶温度为1 0 7 0 1090时,晶粒粗大。1 0 50 保温3 h的固溶热处理工艺可使试验钢获得较合适的显微组织。后文球29MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING施渊吉,等:4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化2023机械工程材料10um10um10um(a)1010 x 2 h(b)1010 x 3 h(c)1050 x 2 h10um10um10um(d)1 050 x 3 h(e)10702 h(f)1070X3 h10um10um(g)1 090 x 2 h(h)1090 x 3 h图4不同工艺固溶处理后试验钢的显微组
23、织Fig.4Microstructures of test steel after solution treatment with different processes化退火处理均在1 0 50 固溶3 h试验钢上进行。由图6 可以发现,随着等温球化温度的提高,试验钢组织中链状碳化物数量先减少后增多,并且保温时间越长,球状碳化物的分布越均匀。第一阶段奥氏体化过程中形成的大角度奥氏体晶界,为第二阶段等温球化过程中M23C型碳化物的形核和长6元素质量分数%CFe35.7C33.1Cr28.74FeCeV1.02umMn0.8FeSi0.4CrMo0.32HVMnSiMo005101520能量/k
24、eV图51 0 50 固溶3 h后试验钢中未溶第二相的EDS谱Fig.5EDS spectrum of undissolved second phase in test steel aftersolutionat1050fo r 3 h大提供了有利的位置条件2 0 1。当等温球化温度为7007 50 时,过冷奥氏体具有足够大的过冷度,为碳化物的形核提供条件,并且随着等温球化温度的升高,碳、铬等元素的扩散能力增强,碳化物核心周围基体不会因合金元素含量下降而快速长大。当等温球化温度高于7 50 时,虽然合金元素的扩散能力更强,但奥氏体过冷度太小,碳化物形核与长大驱动力下降。因此,7 50 保温8
25、h的等温球化工艺是保证奥氏体过冷度与合金元素扩散能力均最佳的工艺,经该工艺处理的试验钢的组织均匀弥散,链状碳化物最少。由图7 可以发现,相较于锻态组织,1 0 50 3h十9 0 52 h十7 50 X8h预处理后试验钢中的碳化物尺寸更小,形状更接近于球状,组织状态更为理想。由图8 可知:预处理后试验钢组织中直径小于0.5m的碳化物占比约为7 8.92%,相较于锻态组织,增加了约2 8.55%;直径大于0.8 m的碳化物占30MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING施渊吉,等4Cr13模具钢的等温相变规律与预处理工艺优化2023机械工程材料20um20um20um
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Cr13 模具钢 等温 相变 规律 预处理 工艺 优化
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。