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浏览:- 发布日期:2022-09-01 13:12:01【

李 志1,2,陈 旋1,2,吴晓春1,2,3 (上海大学1.材料科学与工程学院;2.省部共建高品质特冶金重点实验室,上海 200444; 3.上大鑫仑材料科技(上海)有限,201999)

摘 要:在固溶处理时采用油冷和缓冷两种冷却方式来模拟得到大截面新型预硬型塑 料模具钢SDP1Cu的表,(350~600 保温1~20h) 对组织与硬度的影响,熟化结果表:着时效温度的提高和时间的延长,油冷后马氏体组织和缓冷后贝氏体组织逐渐分解直至 消失,渗碳体颗粒弥散分布在铁素体基体上;500 时效2~20h,油冷和缓冷钢的 硬度差在0.5HRC,;400 ,着时效温度升高,,过机制转变为位错绕过机制

关键词:热处理;塑料模具钢;析出相;强化机制 

中图分类号:TG156.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0028-08

0 引 言 

模具是现代制造业的基础,随着中国制 2025的提,国制的契机,而 模 近年来,随着塑料制品的广泛应用,塑料模具 钢逐渐占 据 模 具 钢 主 流 市 场,对 高 性 能 塑 料 模具钢的需求也愈发迫切预硬型塑料模具 钢由于在出厂时即可达到用户所需的硬度和 使用要求,可 避 免 再 次 热 处 理 造 成 的 变 形 和 脱碳,具有较高的性价比,在模具钢市场中占 据较大比重大截面塑料模具是预硬型塑料 模具钢 的 主 要 应 用 场 合 之 一,从 最 初 的 P20 钢到瑞典研发的 NIMAX,要通 过降低碳 含 量,添 加 镍提高预硬 型 塑 料 模 具 钢 的 淬 透 性,扩 大 贝 氏 体相区,通 过 获 得 均 匀 的 贝 氏 体 组 织 从 而 保 证大截面硬度的均匀性[1]

析出强化是钢的重要强化手段之一,可以 使钢具有良好力学性能的同时,还具有较低的 碳当量和良好的焊接性[2-3]析出相由于其种 类不同而具有不同的尺寸,其大小为几纳米到 几十微米不等采用铜合金化在钢中获得富铜 析出相是常用的析出强化方法之一目前,内外研究人员对钢中富铜析出相的强化规律进 行了大量的研究探索[4-7],发现富铜析出相在前 期与基体处于共格关系,晶体结构为体心立方 (bcc)结构,尺寸在1~5nm;延长,富铜相逐渐长大,bcc9R的亚,格关 ,寸在5~17nm;17nm ,9R变为更加稳定的面心立方 (fcc)结构,ε-Cu 杜瑜[8]究发现,添加质量分数1.4%HSLA 450保温2h,bcc基体共格,1.56nm,143MPa的强度增量刘庆冬[9]研究发现,铜 析 出 相 尺 寸 小 于 临 界 尺 寸 2.9nm , HSLA 钢可以获得163 MPa的强度增量[10],NAK801~2nm ,NiAl,500MPa的强度增量析出相强化作用,通过添加铜和 NiAlNAK80等一系列预硬型塑料模具钢,料模具钢具有高镜面良好机加工性和截面硬 度均匀性[4]然而目前,在塑料模具钢中采用 铜合金化实现析出强化以调节截面硬度的研究 仍较少,对其在时效处理后的组织变化和富铜 相的析出强化机制亟需进一步深入研究。 

,作者将析出强化应用于塑料模具钢 的成设计,通过油冷和缓冷模拟大截面新型 预硬型塑料模具钢SDP1Cu显微 组织,并研究了时效处及硬度均匀性的影响;在此基础上,通过电阻 硬度测试和扫描电镜(SEM)米富铜析出相的析出特性,的熟 化动力学和强化模型,以期为后续新型塑料模 具钢的开发和应用提供指导

1 试样制备与试验方法 

试验材料包括 SDP1Cu钢和 SDP1,某钢厂协助冶炼得到两种钢的铸锭,分如表1所示SDP1Cu铸锭经电渣重熔退火和,?80mm ,,冷速(表面冷速,心部),免地形成不同组织和缓种冷:线10mm×10mm× 10mm ,870 2h,并分别进行油冷和冷却速度为0.1 ·s-1的缓冷,得到固 溶态试样;350~600 (间隔50 )下分别 进行1,2,5,10,20h,试样测量 油冷后的固溶态试样在以4 ·min-1 升温至 600 过程中的电阻变化;采用 HBRVU-187.5 型洛氏硬度计对不同温度时效后的试样进行硬 度测 试,试 验 载 荷 为 1471 N,保 载 时 间 为 30s;,4%,SUPRA40扫描电镜(SEM)分别观察固溶和时效处理后 。 


2 试验结果与讨论

2.1 时效工艺对SDP1Cu钢显微组织的影响

由图1:SDP1Cu钢在油冷后得到马 氏体组织,描电镜下可以清晰地观察到马 氏体板条以及少量的碳化物;SDP1Cu冷后获得贝氏体组织,贝氏体组织部,部分呈条状,表现出明显的方向性粒状贝 氏体由铁素体基体和其上的马氏体/奥氏体岛 (M/A )混合组成M/A 和细短棒状两种形态,M/A 于原奥氏体晶界及其附近,短棒状 M/A 要分布于下贝氏体板条附近或铁素体基体内, 而这主要由冷却转变过程中碳元素的扩散以及 体积束缚效应所控制[11]


由图2可以看出:随着时效温度的提高和 时效时间的延长,油冷 SDP1Cu逐渐分解,而在原奥氏体, 依旧可以看到明显的碳化物;600 ×20h 时效处理后,马氏体板条完全消失,弥散3: 350 ,SDP1Cu微组织未产生明显变化,,M/A ;500 ,数量明显减少,时在分布的碳化物;500 下延长保温时间后,,M/ A,M/A ,,在晶界处形核长大,[12-13];着时效温度升至600 ,晶粒边界变得,织中已经难以发现块状 M/A ,时效20h, 已无法观察到原奥氏体晶界,其上的碳化物富集 区也已经消失,且由于保温时间较长,M/A 岛分解后形成的渗碳体长大成颗粒状,均匀分 布在铁素体基体上


2.2 时效工艺对SDP1Cu钢硬度响 

由图4可以看出:油冷 SDP1Cu仅在效温度为400 450 时出现硬度上升,明油冷SDP1Cu钢在时效过程中的时效软化效 果大于析出强化效果;缓冷 SDP1Cu钢则以析 出强化为主导,400~550显的析出强化现象当时效350~400 ,时效温度较低,两种试验钢的组织和相均未有明显变化,硬度曲线保持平缓;时效 温度450 ,SDP1Cu2h5h, SDP1Cu峰值,这 主 要 是 由 于 铜 元 素 的 等 温 析 出 发 生 在 渗 碳 体 颗 粒 的 界 面 以 及 铁 素 体 基 体 中 ,SDP1Cu钢中的渗碳体颗粒为富铜相的析出提 供了优 先 的 形 核 点,从 而 加 速 了 富 铜 相 的 形 [14],富铜相通过沉淀强化提高了试验钢的硬 ;当时效温度为500 ,时效时间在2~20h ,缓冷SDP1Cu钢和油冷 SDP1Cu钢的硬度 硬度差值均在0.5HRC之间,这说明该时效温 度能够较好地实现大模块模具钢的截面硬度均 匀性;当时效温度为550~600 ,偏高,试验钢的硬度迅速,长大,强化效果减弱根据同课题组左鹏鹏[15] 的试验数据可知,当时效温度为400~550 ,SDP1Cu钢的硬度均大于SDP1


2.3 富铜相的析出行为及强化机制

电阻是材料导电性能的体现,在成分确定 的金属中,金属内部的显微组织将决定材料的 金 属中固溶元素缺陷和第阻率 产生明显的影响,以通阻率变化侧面反映材料变化由图5 可以看出,SDP1Cu SDP1 阻率3:0~100 (),100~ 400 时电阻率与温度呈线性增长关系,400~ 600 ℃(高温阶段)时电阻率变化曲线出现在高温阶段 SDP1钢的电阻率稳定在281 μΩ·cm,SDP1Cu钢则出现了电阻率略有下降的现象,电阻率从 430 时的 102μΩ·cm, 下降到500 时的100.5μΩ·cm,600 时回升到101.5μΩ·cm成分相近,SDP1Cu,时效处理后,铜元素富集并从基体中析出,基体中的位错和空位等缺陷数量降低,使得基 体对于电子的散射降低,从而降低了 SDP1Cu 钢的电阻率[16-17]然而,随着时效温度进一步 提高(500 以上),富铜析出相尺寸变大,富铜 相与基体之间处于非共格关系,增加了错配度, 基体的割裂程度增加,晶体中缺陷数量相对增 ,最终导致电阻率回升[18]电阻率的变化规 ,SDP1Cu400 ,500 明显


,SDP1Cu,步分析析出相的长大及强化机制铜元素在基 体中的扩散,簇析出后,OstwaldLifshitz-Slyozov-Wagner (LSW) ,速率与和时间的 关系[19-20]如下:r- =r-0 +kt1/3 (1)

式中:r- 为时效处理 后 析 出 相 粒 径;r-0 为初始析出相的平均粒径;t为时效时间;k 析出相的平均熟化速率;γ α-Fe基体与铜素之间的界面能;Vm 为铜的摩尔体积;D 元素在 α-Fe中的扩散速率[21];C 为平铜元素在α-Fe中的摩尔[19];R 理想体常数;T 为热力学温度;c 为常数,1;ρFe 为铁 的密度;MCu 为铜的摩尔质量;α 为铜元素在α- Fe中的固溶度;kB 为玻尔。 

根据 LSW 熟化理论,熟化速率 受基体中铜元素的扩散速率铜元素的含量及 界面能等因素控制Fe-Cu,的界面能为0.2~0.5J·m-2[22],SDP1Cu 钢中富铜相的熟化速率随时效温度的变化曲 线,如图6所示,可以看出:400 处理时,析 出 相 的 熟 化 速 率 均 小 于 0.01nm· s-1/3,计算得到在400 时效2h后析出相的 平均粒径增长小于0.193nm,计算结果符合硬 度变化规律;当时效温度在 450 ℃ 以上时,出相的熟化速率缓慢增加在时效温度为500 ,界面能为0.3J·m-2 ,熟化速率为0.087 nm·s-1/3,计算得到时效2h后粗化的析出相 半径为 1.68nm(r-0 =0),该计算结果与 WEI [23]试验观察到的析出相尺寸在1~2nm ;600 ,,0.3J·m-2 ,0.57nm · s-1/3, 2 h 析出相半径11.003nm(r-0=0),相在 此温度下速粗,

相沉强化是钢中重要的强化手段之 ,主要归因于位错与析出相之间的相互作用,,[24], 于基,,;度偏 ,也就是析出相与基体之间处于半共格或部 分共格时,化学强化起主要强化作用[25]由于 铜元素的晶格常数与铁元素的晶格常数极为相 ,晶格畸变参数ε 0.0057[26],于计后的临界共格应变值[25],当滑切过相时,以共格强化为主,所以在此不考虑化学强 随着析出相长大至大于临界尺寸后,滑移 位错难以剪切析出相,强化机制发生转变,位错 将绕过析出相而不是切过析出相,此时的强化 机制为 Orowan强化机制[25]

位错具有的能量与其本身所在微区的弹性 模量成正比,而析出相的弹性模量相比于基体 的弹性模量偏小,所以当位错切过弹性模量与 基体不同的析出相时,位错能会局部降低,从而 产生模量强化采用 算强度增量,计算式为Russell-Brown模型[24]Δσmod =MGLb 1- N2p N2M ???? ????3/4arcsinN2p N2M (5) Np NM =Npflgr-r0 NfMlgr1 r0 +lgr1r- lgr1 r0 (6) L =2.36r-(π/6fV)1/2 (7) 式中:Δσmod ;M 因子,3;G ,80GPa;b 伯氏矢量,0.245nm;L 为析出相的平均间距; fV 为析出相的体积分数(JMatPro软件计算得 );Np,NM 分 别 为 析 出 相 和 基 体 的 位 错 能 ;Np ,NM 分别为析出相基体单位长度位错 的能量(Np/NM =0.6);r0,r1 力场内外截止半径(r0=2.5b=0.625nm,r1= 1000r0=625nm)。

析出相在达到临界尺寸前与基体保持共格 或半共格关系,由于析出相与基体之间错配度 较小,强化以共格强化为主共格强化的表达 [25]Δσc =4.1MGε3/2f1/2V r- b 1/2 (8) 式中:Δσc 为共格强化强度当位错切过析出相时,量可以用毕达哥拉斯叠加法[27]进行计算得到: Δσt =[(Δσc)2 + (Δσmod)2]1/2 (9) 式中:Δσt 为位错切过机制的强度增量。 

随着时效温度的升高,析出相尺寸增大,错通过析出相的方式由切过机制转为 Orowan 绕过机制该机制下析出相析出引起的强度增 量为 ΔσOr =0.1132MGbf1/2V r- ln(4.839r-)(10) 式中:ΔσOr 为位错绕过机制(Orowan强化)强度增量。 

析 出 强 化 中 模 量 强 化共 格 强 化 和 Orowan线77:,,,,,500 2h(1.68nm),208MPa;Orowan度增 线6.5nm (如图中箭头所示),对应着此时强化机制从模 Orowan 当强Orowan,强度 103 MPa,强度增量随着析出相 半径的增大而逐

3 结 论

(1)却方式SDP1Cu的表面和心部组织,分别为和贝氏体组织,随着时效温度的(350~ 600 )(2~20h)的延长,氏体 ,渗碳体颗粒弥;,SDP1Cu,SDP1Cu ;500 2~20h, SDP1Cu 0.5HRC,料模具钢的截面硬度均匀性


(2)固溶态 SDP1Cu400~500 慢升温过程中,由于,电阻,500~600时电阻率逐渐回升;当时温度400,富铜相析出并长大,随着时效温度升高,熟化速率逐渐增加,500 保温 2h后析出相半径为1.68nm,600 时析出 相迅 速 粗 化,保 温 2 h 后 析 出 相 半 径 达 到 11.003nm,效果。 

(3)6.5nm ,SD 钢的时效析出强化机制由位错切过机制(P1Cu 强化和共格强化相结合)转变为位错绕过机制, 500 时效2h,机制以模量强 化为主,强度增量208MPa


参考文献

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