塑料模具标准件顶杆用65MnV钢的组织分析

HEATS

整体淬火加中温或低温回火是国内外塑料模具标准件顶杆的常用热处理工艺，它具有处理方法简单的特点，若材料选择恰当，能满足顶杆的使用性能要求。国外塑料模具工业发展较快，对于顶杆的用材已逐步形成系列，而国内尚未开发出适合于顶杆生产及使用的较为专用的材料，用材较乱，通常使用65Mn,50B,T8,T12,40Cr和45等^［1］，国产顶杆常因不能满足性能要求而发生早期失效，导致使用寿命大大低于进口顶杆。华中理工大学在此基础上研制成功一种新型整体淬火顶杆专用钢65MnV，它是在顶杆常用65Mn钢的基础上加入微合金化元素钒而形成的，具有优良的综合力学性能^［1］，与65Mn钢相比强度提高了10%，冲击韧性提高了3倍，磨性提高了0.3倍。本文对65MnV钢的淬火和回火过程中的组织变化进行系统研究。

1　试验方法

　　试验用钢采用10kg的真空电弧加热炉冶炼而成。其化学成分如下表所示。

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表 　试验用钢化学成分(wt%)
Table  　The composition of steel(wt%)

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) W3 _$ {: ]: A7 K' I5 o# P% i0 q) Y' y$ Z9 @! d }/ t2 b6 P. k9 I* d m5 B) d* X# {0 n% _! M% A. Y5 F6 r. |! A2 S$ u# p9 N3 v* d) k/ ^7 g# s; Q( [- t2 A3 [2 j. h

C	Mn	V	P	S
0.66	0.885	0.093	0.018	0.008

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　　采用JSM-35C型扫描电子显微镜(SEM)和JEM100CXⅡ型透射电子显微镜(TEM)对65MnV钢的显微组织进行分析。透射电镜采用金属薄膜试样，制样方法为：用线切割机床将试样切成0.2～0.3mm厚的薄片，用砂纸磨至0.025mm以下，然后冲成?φ3mm的小圆片，最后在MTP-1型双喷射电解减薄仪上双喷减薄穿孔，制成可供TEM观察的试样。双喷射电解液成分为8%高氯酸溶液，双喷温度为-30～-50℃，工作电压为30～40V，工作电流为20～30mA左右。

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2　试验结果与讨论

2.1　65MnV钢的淬火组织

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　　在光学显微镜下观察到65MnV钢的低温淬火组织为隐针马氏体组织，马氏体组织细小，不易观察，故选用扫描电子显微镜进行观察。图1所示为65MnV钢经800℃和900℃淬火后在扫描电镜下观察到的显微组织照片。

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图1　65MnV钢的淬火组织(SEM)　800×　(a)800℃淬火；(b)900℃淬火
Fig.1　The microstructure of 65MnV steel after quenching (SEM) 800×
(a)quanching at 800℃;(b)quanching at 900℃

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　　从图中可以看出，65MnV钢在800℃淬火时的淬火组织为隐针马氏体组织。随淬火温度的升高，马氏体组织逐渐由针状与板条状马氏体的混合状态变成针状马氏体组织，并且马氏体针变得十分粗大，而钢中未溶碳化物不断溶解和粗化，淬火温度升高到900℃时钢中未溶碳化物几乎全部溶解。
　　图2所示为钢中马氏体组织的亚结构随淬火温度的变化。从图中可以看出，65MnV钢经840℃淬火时的组织几乎全部是位错型马氏体，孪晶马氏体的含量相当少，在马氏体板条片中可看到大量的位错缠结如图2a所示。当温度升高到900℃时，孪晶马氏体的数量逐渐增加，图2b所示为孪晶马氏体的组织形貌，这是钢中碳化物溶解增加马氏体中的平均含碳量所致。马氏体的尺寸也随淬火温度的升高而增大，当温度由800℃升高到900℃时，马氏体板条宽度由0.22～0.46μm增大到0.44～0.56μm。

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图2　不同淬火温度下的马氏体亚结构　36000×　(a)840℃淬火；(b)900℃淬火
Fig.2　The Sub- microstructure of martensite under different quench temperature　36000×(a)quanching at 840℃；(b)quanching at 900℃

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　　图3所示为65MnV钢经840℃淬火后马氏体组织的形态。从图中观察到，钢中马氏体分布十分混乱，互相交错排列，可观察到人字型马氏体(图3a)和交叉型马氏体(图3b)。另外还可看到两片马氏体在相遇处发生猛烈碰撞，先生成的马氏体受到撞击发生滑移，形成交叉状态。这是因为马氏体相变是以切变形式发生的，相变时产生很大的切应力，在两个马氏体交叉点造成应力集中，诱发新的马氏体生成，因此形成人字型马氏体。如果撞击力很大就会使先形成的马氏体发生滑移，也会使应力集中得到松弛，形成交叉形马氏体。

图3　65MnV钢840℃淬火的马氏体形态　18000×
(a)人字型马氏体；(b)交叉型马氏体
Fig.3　Morphology of martersite in 65MnV steel after quenching at 840℃　18000×

2.2　65MnV钢的回火组织

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　　TEM对65MnV钢经840℃淬火后经不同温度回火组织的观察表明，在180℃回火时，钢中析出细小的短须状ε碳化物(图4a)，未发现渗碳体的析出。ε碳化物粗细为2～15nm，长度为30～140nm，与基体保持共格关系，在取向上保持Jack关系。随回火温度的升高，钢中ε碳化物逐渐向渗碳体转变，渗碳体含量和尺寸逐渐增加。图4b是在260℃回火试样中观察到的渗碳体，呈棒状，粗细为5～20nm，长度为80～250nm。

图4　回火温度对65MnV钢组织的影响　36000×
(a)180℃回火析出的ε碳化物；(b)260℃回火析出的渗碳体
Fig.4　The dependence of microstructure in 65MnV steel on temper temperature

3　结论

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　　(1)65MnV钢的退火组织由细小的珠光体和铁素体组织组成，珠光体片层间距为0.8～1.1μm。
　　(2)65MnV钢的低温淬火组织为隐针马氏体组织，随淬火温度的升高，淬火组织逐渐由针状与板条状马氏体的混合组织变成针状马氏体组织，马氏体组织的亚结构由位错型马氏体向孪晶马氏体转变。
　　(3)65MnV钢在180℃回火时析出共格的弥散分布的须状ε碳化物，ε碳化物随回火温度的升高发生转变或分解，形成棒状渗碳体。【MechNet】

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