模具钢材缺陷分析-冷作模具钢D2的缺陷研究(一)

模具钢材缺陷分析-冷作模具钢D2的缺陷研究(一)
㈠、前言
在对冷作模具钢D2进行宏观检验时，发现在横向酸浸低倍片半径1/2处，偏析处及中心部位，出现比基体颜色深的“黑斑点”，如图1、图2。
以往，常将“黑班点”做为点状偏析来评定，严加控制，因此，严重影响了出口材的成材率和正常交货，为了确保D2钢的质量，又为人为造成不必要的损人，我们对“黑斑点”的属性进行了研究。
⑴试验结果
⒈宏观检验
将酸浸后的低倍片，在充足的光线下，用肉眼或借助放大镜进行观察，如图1。这种过去被判为“点状偏析”的“黑斑点”与38CrMoAl钢的点状偏析的特征、点的大小、分布状态有所不同，而与结构钢的一般疏松相似。
⒉断口检验
将有“黑斑眯”横向低倍处上的“黑斑点”处打断口，进行断口观察，如图3。
在低倍片上有“黑斑点”处的断口上有一条比基体组织颜色略暗一些的条带，但无夹杂物和裂纹等缺陷。断口为正常纤维状断口。
⒊金相检验
从退火材黄向低倍试片上有中心疏松、“黑斑点”、正常基体处各取一块金相试样，磨平，抛光，腐蚀后进行观察。
从图中可以看出：中心疏松（图4）和“黑斑点”（图5）处的碳化物都比较密集，而且碳化物的块都比较大，基体均为粒状珠光体；正常基体处（图6）的碳化物的块比较细小，数量也比中心疏松和“黑斑点”处的要少些，基体为粒状珠光体，三都无明显区别。
将上述三个试样进行淬火观察，如图（中心疏松）、图8（黑斑点）、图9（正常基体）。从图中可以看出：与退火组织相比，碳化物块的尖锐程度有所减轻；而且细小的碳仳物明显少于退火态，这是由于在淬火加热过程中，低倍点碳化物溶入奥氏体中的缘故。中心疏松和“黑斑点”处的碳化物大小、数量基体差不多，但都比正常基体处的碳化物的数量要多，而且块也大。三者基体均为M+少量残余A。
⒋硬度检验
从退火态的低倍片上的同一圆周上的不同位置的“黑斑点”和正常基体进行硬度测试，测试结果和中心疏松处的硬度比较如下表。
检验位置 中心疏松 正常基体 黑斑点
硬度HB 197 195 198
从测试结果来看，各处的硬度基体差不多，中心疏松和“黑斑点”处硬度略高一些，这是由于碳化物相对多一些的结果。
㈡、结果分析
从“黑斑点”处的宏观断口，金相组织来看，“黑斑点”处无夹杂物，“黑斑点”处的金相组织与中心疏松和正常基体处的金相组织相比，中心疏松和“黑斑点”处的碳化物大小、数量差不多，但都比正常基体处的碳化物块要大些，数量多些。除此之外，没什么区别。
我们知道，“黑斑点”是试片在酸浸过程中，碳化物剥落而形成的低倍片上的宏观表现。对于工具钢的低倍组织检验，一些国家都没有明确的规定，只在美国对合金工具钢在这一方面有一定的标准。在ASTM561-78中对低倍组织检验时，对下列缺陷：缩管、炸裂、碳化物、合金偏析、非金属夹杂集中情况、疏松、内裂纹、白点、方偏有明确要求，其中对中心疏松识别依据的描述是：被浸蚀出的碳化物或废金属夹杂物等有关集中微小控、坑，可按中心疏松评定。“黑斑点”是分散在试片上的集中碳化物在酸浸过程中剥落形成的微小蚀坑，与中心疏松的性质相同，故可评为一般疏松。
我们知道，对于D2钢，由于碳含量较高，其结晶温度间隔较大，在结晶过程中，等轴晶的树枝状分枝极为发达，造成母液被分割，树枝晶间富集的碳化物不能及时与尚未凝固的大量钢液充分均匀化，而在随后的凝固过程中被固定下来，形成一般疏松。当钢锭冷却条件好时，冷却速度极大，柱状晶发达，不易形成碳化物富集，故不易形成一般疏松；而随着钢锭尺寸增大，冷却速度相对缓慢，不利于柱状晶发展，而等轴晶特别发达，故极易形成一般疏松；而当钢锭进一步增大，冷却速度相当缓慢，是凝固界面前富集的碳化物等及时扩散到尚未凝固的钢液中，就可减轻一般疏松的形成。
由此可见，一般疏松的形成主要有D2钢的本身化学成分决定的，即含碳量高，合金含量高；其次便是钢锭的结晶条件不好。介于此，我们为了减轻D2钢的一般疏松，可以从以下几个方面解决：
⒈对于小尺寸锭应加大冷速，即提高浇注温度，降低浇注速度。
⒉对于尺寸大锭型，采用降低冷却速度的方法。
⒊设计合理的定性，满足冷却速度，使凝固界面前富集物及时扩散到尚未凝固的钢液中。
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