3Cr16NiMo+S易切削不锈模具钢的调质工艺研究

2021-07-07张学超王学玺黎定旺

大型铸锻件 2021年4期

张学超王学玺黎定旺马娇

(河南中原特钢装备制造有限公司，河南459008)

近些年来，易切削不锈模具钢的需求在日益提升。要提高不锈模具钢的切削性能，目前使用最多的方法是增加钢中硫含量，常规不锈钢的实际硫含量多数≤0.05%，而易切削不锈模具钢的实际硫含量都在0.05%以上。但随着钢中S含量的增加，材料的热加工性能也产生了较大的变化，极易在调质过程中产生裂纹，严重影响成材率。公司试验生产的一件大规格3Cr16NiMo+S易切削不锈模具钢在调质后严重开裂，本文针对此模具钢的开裂展开分析，明确其开裂的原因，并确定其调质工艺的改进方向。

1 试验钢的化学成分和试验方法

1.1 试验钢的化学成分

3Cr16NiMo+S不锈模具钢的化学成分见表1。此钢采用电炉冶炼+真空精炼+电渣重熔方法炼制，炼钢过程中适量加入S，以保证此不锈钢的切削性能。

1.2 试验钢的规格

方形件：155 mm×925 mm×3200 mm

1.3 试验钢调质工艺路线

公司根据不锈模具钢多年的生产经验和生产设备条件，淬火加热温度选择在1020℃，冷却过程采用常规做法，介质采用浓度为12%的水基淬火液，总冷却系数控制在0.3 min/mm，可保证模块的整体淬透效果和组织均匀性，水基液冷却过程分成三段进行，目的在于减少大规格方形件淬火的开裂倾向，回火采用580℃。

1.4 试验钢开裂形态

试验的易切削不锈钢模块在淬火结束后发生了明显的开裂，包含了严重的角裂和纵向通裂，部分开裂形貌见图1。

表1 试验用钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of test steels(mass fraction,%)

图1 模块开裂形貌Figure 1 Die cracking morphology

2 试验钢开裂原因分析

2.1 确定裂纹源

将裂纹两侧面切开观察，共找到两处裂纹源，裂纹源1是由端面向内部扩展，裂纹源2在内部与裂纹源1交汇。裂纹源形貌如图2所示。在裂纹源处制取试样进行缺陷分析。

2.2 化学检测

对裂纹源1处和裂纹源2处试样进行化学分析，结果见表2，各化学元素成分均在合格范围内。

2.3 金相组织检测

图2 裂纹源形貌Figure 2 Crack source morphology

表2 化学分析结果(质量分数，%)Table 2 Chemical analysis results(mass fraction,%)

图3 裂纹源抛光态形貌(100×)Figure 3 Polished morphology of crack source(100×)

图4 金相组织形貌(100×)Figure 4 Metallographic structure morphology(100×)

表3 第一块试验钢回火后HRC硬度检测结果Table 3 HRC hardness test results of the first pieceof test steel after tempering

磨制抛光裂纹源1处试样的横向面和裂纹源2处试样的纵向面，用显微镜观察，裂纹源处均存在二次裂纹，二次裂纹开口较粗，尾端较细，沿晶分布。主裂纹及二次裂纹上存在氧化现象，但无夹渣、雾点状氧化物存在，说明淬火前试验钢无缺陷。裂纹源处形貌见图3。

将试样用硝酸酒精腐蚀后观察，裂纹源处试样上的主裂纹及二次裂纹上无脱碳现象，组织与基体组织一致，都为回火索氏体+碳化物，金相组织正常。具体形貌如图4所示。

2.4 非金属夹杂物检测

参照GB/T 10561—2005对裂纹源2处试样的纵向面进行非金属夹杂物评级，A>3.0级，B为0.5级，D为1.0级，其余项目为0，即裂纹源处聚集了较多的硫化物。

2.5 表面硬度检测

回火后在试验钢两端面各检测3点洛氏硬度，硬度值达到了预期要求，说明回火温度合适。硬度检测结果见表3。

2.6 开裂原因总结及工艺改进方向

由上述检测可知，裂纹源处在淬火前无表面缺陷，成分、组织正常，主要的异常点是裂纹源处存在较多的硫化物，是由试验钢中含硫元素较多造成的。较多硫化物的存在破坏了基体组织的连续性，降低了钢的韧性，成为了应力集中和产生裂纹的根源，增大了材料的开裂倾向，特别是在方形工件的边角部位，开裂风险更大。所以此成分的试验钢在利用常规的冷却强度进行冷却时，会在边角近表面的硫化物聚集处造成严重的应力集中并开裂，后续试验应充分考虑此成分的淬火敏感性，采取相应措施降低冷却强度。