3冷作模具钢组织与性能的对比

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2019家电模具高峰论坛征文

冲压模具在使用过程中需要高硬度、高耐磨性和一定的韧性。因此，国内外开发了大量的钢，以满足冷模钢的工作需要。冷模钢在不同的热处理工艺下反映了不同的组织和性能，因此热处理工艺对模具的使用寿命有很大的影响。

现以skd11钢、GD钢（6CrMnSiNiMoV）和LD钢（7Cr7Mo3V2Si）为研究对象，分析了三种钢在不同温度淬火 回火后的组织、硬度和冲击韧性，并观察分析了断口形状，为实际生产提供依据。

试验材料及试验方法

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试验材料及热处理工艺

试验中使用的三种钢的化学成分如表1所示，原尺寸为线切割机12mm×22mm×220mm板材切割成尺寸为10mm×10mm×55mm长方体样品，然后分别进行图1所示的热处理。

（a）SKD11钢

（b）GD钢

（c）LD钢

图1 3种钢的热处理工艺

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试验方法

打磨抛光热处理样品后，使用4%HNO3用蔡司金相显微镜观察酒精溶液的腐蚀组织HRSS-150型洛氏硬度计测试样品的硬度，所选载荷为1471N，以5点的平均值作为样品的硬度值。冲击能量上限为室温下冲击试验机样品的冲击韧性150J，采用5个样品冲击吸收能量的平均值作为样品的冲击吸收功率TESCANVEGA扫描电镜观察断口形状。

测试结果与讨论

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3种钢的组织分析

图2 1010 ℃淬火 180 ℃回火后SKD11钢的显微组织

图2所示为SKD11钢经1010℃淬火 180℃从图2可以看出回火后的金相组织，SKD11钢结构为回火马氏体 碳化物 残留奥氏体，SKD11钢含碳量高(见表1)，使回火马氏体呈针状，碳化物呈颗粒状和不规则块状(见图2（b））。SKD11钢中合金元素含量高，属于莱氏体钢，即使锻造后仍存在于组织中。部分碳化物溶解在奥氏体中，淬火后转化为马氏体。SKD11钢的马氏体转换温度约为-80℃，因此，淬火后会有一些残留的奥氏体。180℃低温回火时，马氏体饱和度下降，从马氏体中沉淀少量碳化物，组织转化为回火马氏体，共晶碳化物和残余奥氏体继续保留在组织中。

图3 900 ℃淬火 200 ℃回火后GD钢的显微组织

图3所示为GD钢900℃淬火 200℃从图3可以看出回火后的金相组织，GD钢结构为回火马氏体 碳化物 残余奥氏体，回火马氏体为细针状(见图3（b）），且较SKD11钢较厚，碳化物多为颗粒状，分布均匀。GD钢碳含量和合金元素含量均低于SKD11钢是一种高碳低合金钢，因此在淬火和加热过程中，一些碳化物不能溶解在奥氏体中。这些碳化物大多是球化退火后的碳化物，而不是共晶碳化物。由于淬火不完整，回火组织中会有少量残留的奥氏体。淬火后，奥氏体转化为马氏体，并在200℃回火后转化为回火马氏体，从而获得回火马氏体、球状碳化物和残余奥氏体的混合组织。

图4 1120 ℃淬火 200 ℃回火后LD钢的显微组织

图4所示为LD钢经1120℃淬火 200℃从图4可以看出回火后的金相组织，LD钢的组织是针状马氏体 碳化物 少量残留奥氏体。SKD11钢和GD钢相比，LD钢中碳化物数量明显减少，碳化物分布均匀，多为球形，马氏体针状特征更为明显。LD钢中含有较多的V、Mo等合金元素，在1120℃淬火时，大部分合金元素溶解在奥氏体中，少量合金元素以碳化物的形式保留。由于淬火温度高，奥氏体晶粒充分生长，淬火后得到明显的淬火马氏体，淬火马氏体转化为回火马氏体，并继续保持针状。

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3分析的硬度结果及分析

图5 3模具钢淬火 回火后的硬度值

图5所示为SKD11钢、GD钢与LD从图5可以看出钢淬火 回火后的硬度结果SKD11钢的硬度略低于GD钢和LD钢，回火后，SKD11钢的硬度低于GD钢和LD钢，GD钢和LD钢的硬度相当。淬火后，钢的硬度取决于马氏体中的碳含量，与合金元素无关。

马氏体硬度值与钢含碳量的近似关系是根据姚玉环计算出来的，(1)，其中C代表碳含量。结合表1所列三种钢的碳含量，可计算出SKD11钢、GD钢和LD钢的硬度值分别为65、64、64HRC，计算值高于测量的硬度值，证明部分碳与合金元素结合形成相应的碳化物。低温回火后，随着马氏体过饱和度的下降，马氏体中沉淀了少量碳化物，硬度低于淬火。SKD11钢在回火后硬度低于GD钢和LD钢，可能与SKD11钢中点状碳化物的沉淀有关。

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3种钢冲击试验结果及分析

图6 3种模具钢淬火 回火后的冲击能

图6显示了三种模具钢热处理后的冲击能，从图6可以看出，SKD11钢回火后的冲击能是62.7J，GD钢的冲击能为30.7J，LD钢的冲击能为75.0J。

图7 3模具钢冲击断口宏观形状 

图8 3种模具钢冲击断口SEM形貌

为了进一步发现三种钢的断裂机制，观察三种钢的断裂形状，如图7和图8所示。从图7可以看出，三种钢的宏观断口形状没有剪切唇区和后扩展区，开裂区和前扩展区之间没有明显的边界，呈现出微塑性变形的微晶瓷特性。从图8可以看出，三种钢的微观形状是撕裂边缘连接的小解理面，因此三种钢的断裂机制是准解理脆性断裂，其中SKD11钢和LD钢中撕裂棱和解理面的比例相当，GD钢中解理面所占比例较大。

冲击断裂的形成分为三个阶段：裂纹萌发、裂纹生长和裂纹扩展。试验模具钢未加工间隙。在冲击载荷的作用下，裂纹萌发时间很短，生长和扩展迅速。因此，冲击性能测试获得的冲击能量应主要由裂纹形成能量和裂纹扩展能量组成。在裂纹生长过程中，有两种方式：剪切生长和颈部收缩生长。由于宏观断发现明显的剪切区域，因此可以判断裂纹是通过颈部收缩生长的。裂纹前沿的塑性变形区域在剧烈变形强化后形成微孔。该孔形核所需的能量由大型碳化物提供。孔通常在碳化物和基体之间的界面上形成，如图8所示。

当裂纹生长到临界尺寸时，它们会迅速扩展。当外部冲击载荷将裂纹撕成**时，塑性变形不够大，裂纹会以小解理的方式扩展，形成图形8（a）和图8（c）所示的二次裂纹，当裂纹**遇到接近的空洞时，通过颈部收缩聚合连接，更终解决-颈缩扩展[8]，从而形成图8所示的解理面。从三断面的微观形状来看，SKD11钢和LD钢中撕裂棱和二次裂纹的出现缓解了裂纹膨胀的速度，GD钢中“解理-颈缩的扩展模式使其微观形状有更多的解理面，结合图片2~图4可知，GD钢中碳化物比SKD11钢和LD钢更密集，为颈缩聚合提供了更有利的条件GD钢材快速断裂。

由此，SKD11钢和LD钢的冲击能较多GD钢高。

▍2019年第四期模具行业

▍原作者：刘博1、孙国栋2、刘长华2、张立胜2

▍作者单位：1.旅游与国土资源学院九江学院；2.九江机械与材料工程学院