大规格38CrMoAl 注塑机用钢硬度偏高原因分析研究

2020-03-19陈颖

中国金属通报 2020年24期

陈颖

（南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035）

38CrMoAl 是高铝钢，Al 在钢中是一种氮化物形成元素，铸件经渗氮处理后，表面形成氮化铝层（AlN），依靠AlN 的弥散强化来提高铸件表面的硬度和强度[1，2]。经热处理和精加工后的38CrMoAl 圆钢具有良好的品质，在塑料模具钢应用中占有重要地位[3]，国内外对其生产[4，5]和加工[6]进行了深入研究。

某钢铁厂生产的38CrMoAl 大规格（直径在Φ85mm 以上）注塑机用圆钢要求硬度低于HB255，但在实际生产中由于材料本身特性和生产工艺特点，造成硬度普遍超标严重。这对该厂产品形象和声誉造成了一定的负面影响，因此有必要对38CrMoAl 生产工艺进行研究。Gleeble 热模拟技术是一种成熟的实验手段，在材料性能研究及冶金过程模拟中占有重要地位[7,8]。在冶金成份相对固定的条件下，冷却和热轧温度对硬度的影响较为突出，本次研究采用Gleeble 热模拟仪对上述两个方面进了模拟分析研究。

1 试验材料及方法

本试验所用38CrMoAl 为Ф90mm 棒材，同一轧制号取多支试样。试验钢的成分如表1 所示。

表1 试验钢化学成分（wt，%）

根据现场38CrMoAl 质量计划，制定了Gleeble3800 热模拟仪试验方案，并对试验结果试样进了金相和硬度分析。

2 实验结果与分析

2.1 动态CCT 曲线研究

利用Gleeble3800 研究38CrMoAl 的动态CCT 曲线，研究不同冷却速度条件下钢的组织以及相转变温度，测量其布氏硬度，确定不同冷速对钢材组织和硬度的影响。根据现场38CrMoAl 质量计划，轧制过程中要求终轧温度控制在900℃～1050℃。热模拟实验时取其中间值，轧件变形温度设定在980℃。热模拟实验工艺为：将试样以20℃/s 的速度加热到1250℃，保温10min，以15℃/s 的冷速降到980℃变形，应变量为0.5，应变速率为6s-1。以15℃/s 的冷速降到820℃，然后以不同的冷却速度冷却到相变完成。具体工艺如图1 所示。

图1 热模拟工艺图

不同冷却速度条件下得到的钢的组织和硬度如图2 所示。

图2 实验钢在不同冷速下的组织及其硬度

根据金相检验结果可以看出，要想钢的硬度较低，钢的组织最好是全部的铁素体+珠光体，要达到这一目标，钢的冷却速度最好在600℃/h 以下。

生产现场测量Ф90mm 圆钢轧后冷却速度发现，当圆钢终轧温度在1050℃左右时，钢材上冷床的温度在780℃左右，下冷床温度在490℃左右。钢材上冷床（780℃左右）到下冷床（490℃左右），其冷却速度在0.15℃/s ～0.3℃/s 范围内。对比热模拟试验金相结果可以看出，此时钢的组织应该主要是铁素体+珠光体，且钢的组织转变基本上应该都是在冷床上完成。

从现场情况和热模拟金相结果看，受冷床条件所限，钢材入缓冷坑温度很难达到珠光体转变温度以上，因而要想通过提高钢材入缓冷坑温度的方法来达到控制钢的相变过程，使钢的组织转变为铁素体+珠光体，从而降低钢材的硬度是无法实现的，必须通过其它工艺措施来实现降低钢材硬度的目的。

图3 冷速为800℃/h 时钢的连续冷却转变曲线

2.2 变形温度对钢组织和硬度的影响

从热模拟试验结果可以看出，对于Ф90mm38CrMoAl，在生产现场现有条件下，如果钢上冷床温度在750℃～780℃左右时，其组织应该主要是铁素体+珠光体。图4 为实验钢实际金相组织。从钢材的金相结果看出，实验钢母材组织基本都是贝氏体组织，钢的硬度为HB324，这与热模拟结果不相符。从现场了解来看，造成这种现象的原因很可能是钢在实际轧制过程中轧制温度过高造成的。

图4 实验钢母材的金相组织

鉴于此，利用Gleeble 热模拟仪模拟研究了在同样的冷却速度条件下，变形温度对钢的组织和硬度的影响。具体的热模拟工艺如下：

将试样以20 ℃/s 的速度加热到1260 ℃，保温10min，以20℃/s 的冷速降到不同温度变形，应变量为0.5，应变速率为6s-1，变形完了以后以1000℃/h 的冷却速度冷却到相变完成。具体工艺如图5 所示。

图5 热模拟工艺图

最终得到热模拟实验钢的金相组织如图6 所示。

图6 不同硬度对应的金相组织

从实验钢的金相组织来看，当钢的变形温度为910℃时，钢的最终组织中产生了较多的铁素体+珠光体组织，这对于降低钢的硬度是有利的。当钢的变形温度为1050℃时，从钢的金相组织来看，钢中几乎看不到铁素体和珠光体组织，其组织基本都是贝氏体组织，钢的硬度也较高，达到了HB330 以上。从能量角度来看这是由于在较低温度下变形提高了奥氏体的能量增加了相变的驱动力；从显微结构上来看是由于较低温度下变形增加了位错、变形带、空位以及孪晶等缺陷，增加了铁素体的形核质点，从而使铁素体相变比较容易发生。此外，位错密度的增加，增加了碳原子的扩散通道，也有利于铁素体相变的进行。

从现场了解到，目前轧制38CrMoAl 时基本都是采用较高的温度进行轧制，钢的终轧温度基本都是在1050℃以上。拿实际钢的金相组织与热模拟试验结果对照也验证了这一点。因此，要降低硬度，在目前现场现有的设备条件下，应该从降低钢的轧制温度着手。