P20塑料模具钢的组织对抛光性能的影响
摘要：测试和研究了P20塑料模具钢900℃淬火马氏体和900℃加热450℃等温淬火粒状贝氏体在400~700℃回火的托氏体组织的硬度和表面粗糙度。结果表明，P20钢回火后的硬度越高，粗糙度越低，抛光性能越好；马氏体回火组织较粒状贝氏体回火组织细小，具有良好的抛光性能；当P20模具钢的硬度HRC为32~38时，钢的抛光性能稳定。
关键词：P20塑料模具钢 组织
表面粗糙度 抛光性能
P20钢模块在冶金厂锻造后，需要进行预硬化处理。分析P20钢的动力学图（TTT、CCT）可知，P20钢在淬火时一般获得马氏体+贝氏体的整合组织。较大尺寸的锻件（直径大于100mm），淬火时只能得到贝氏体组织。马氏体和贝氏体于600～650℃回火时，均获得回火托氏体组织。但两者的组织形貌不同，其性能有所区别。
用德国产Mahr-perthen光洁度仪测定了P20钢在不同热处理条件下表面粗糙度，研究了P20塑料模具钢的抛光性能与组织、硬度的关系。
1、表面粗糙度的测量[1]和评定参数[2]
测量表面粗糙度的规定[1]为：
（1）取样长度（Lc）：判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。规定和选择这段长度，是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度测量结果的影响。取样长度在轮廓总的走向上量取。
（2）评定长度（Lt）：评定轮廓所必需的一段长度，它可包括一个或几个取样长度。
（3）基准线：用以评定表面粗糙度参数给定的线。由于确定基准线和基准面位置的方法不同，所以，基准线不一定在基准面上。在国际上和我国均采用中线作为基准线。
（4）轮廓的最小二乘中线（简称中线）：在取样长度内，体现几何轮廓形状的一条基准线，其位置是这样确定的：在取样长度内轮廓各点到中线的偏距平方和为最小。
（5）轮廓偏距：在测量方向上，轮廓线上的点与基准线之间的距离。对实际表面来说，可认为轮廓偏距垂直于基准线，这对确定参数较为方便。
表面粗糙度评定参数为：
（1）轮廓算术平均偏差（Ra）：在取样长度内，计算轮廓偏距绝对值的算术平均值。它在一定程度上反映了轮廓高度相对于一条基准线的离散程度。Ra的测量范围是常用的表面粗糙度范围（Ra为0.025～6.3；Rz为0.1～25）。
（2）轮廓微观不平度十点高度（Rz）：取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。它适合于评定光滑表面的表面粗糙度。
（3）最大峰谷高（Rmax）[3]：在5个连续取样长度内，单个峰谷高的最大值。
2、抛光性能的检测结果
热处理工艺对粗糙度有一定影响，从表1可见，整体上来说P20钢预硬化后具有良好的抛光性。粗糙度达s13～s14a，考虑到Rz、Ra参数的适用范围，为了表达热处理工艺、硬度、粗糙度的关系，将表1中回火1h的数据画成曲线，如图1所示。
表1 不同热处理工艺的P20塑料模具钢粗糙度
| 热处理工艺 | 组织 | 硬度（HRC） | Ra/um | Rz/um | Rmax/um | |
| 淬火 | 回火温度/℃① | |||||
| 400 | 下针状托氏体 | 42.6 | 0.007 | 0.05 | 0.09 | |
| 900℃加热 | 550 | 上针状托氏体 | 37.3 | 0.007 | 0.06 | 0.10 |
| 1h油冷 | 650 | 29 | 0.008 | 0.06 | 0.09 | |
| 700 | 索氏体 | 25.4 | 0.009 | 0.12 | 0.24 | |
| 400 | 下针状托氏体 | 48 | 0.006 | 0.05 | 0.06 | |
| 900℃加热1h | 550 | 上针状托氏体 | 40 | 0.007 | 0.07 | 0.08 |
| 400℃等温3h | 650 | 32.5 | 0.006 | 0.07 | 0.10 | |
| 700 | 索氏体 | 27.5 | 0.008 | 0.09 | 0.12 | |
从图1可见，马氏体的回火产物-回火托氏体具有更好的抛光性；贝氏体的回火产物，也得到回火托氏体，抛光性能稍差一些，但也有较好的抛光性。
仔细分析图1，回火温度不同造成的硬度差别对马氏体回火组织和粒状贝氏体回火组织的抛光性能具有一定影响。随回火温度的降低，硬度的增加，马氏体回火组织和贝氏体回火组织的Rz值降低。在硬度28～32HRC范围内，马氏体的回火组织具有更好的抛光性能。
3、抛光性能与组织的关系
机械抛光是试样表面经受磨损的过程，根据磨损机理，硬度是影响抛光性能的重要因素。从两组试验曲线的共同的变化趋势可见，P20钢回火后的抛光性能主要与硬度有关，硬度越高，Rz值越低，抛光性能越好。
除了硬度的影响外，抛光性能与回火组织的均匀细密性也有关系。均匀细小的回火托氏体组织具有更好的耐磨性和抛光性。在550℃和650℃回火时，由于a相没有完成再结晶，仍然保持着原来马氏体和贝氏体的形貌特征，因此，仍然属于回火托氏体组织，不能称其回火索氏体[4]。
显微组织观察表明，在550℃和650℃，回火1h，均获得回火托氏体，但贝氏体的回火组织显得比较粗大，而马氏体的回火组织为均匀细小的回火托氏体组织，所以抛光性能较好，贝氏体回火后的组织粗大是抛光性能较低的原因。700℃回火1h，均获得索氏体组织，马氏体回火组织抛光性能下降（图1，表1）。
中温回火时，马氏体回火组织的抛光性能比粒状贝氏体回火组织好，主要是由于马氏体回火的组织中保持着细小的板条状马氏体的原有形貌，a相的界面积较大，碳化物的均匀细小地分布在a相基体上，因而抛光性能较好。
从图1可以看到，HRC32～38时，抛光性能（Rz值）保持恒定。这是工业上应用较多的硬度范围，也是预硬化处理的硬度指标。其原因是由于在此范围内硬度和组织的匹配较好。预硬化处理时最好控制这一硬度范围。
当回火温度升高到700℃时，无论是马氏体，还是贝氏体，均被回火成回火索氏体组织，a相发生再结晶，碳化物颗粒粗化，硬度降低，抛光性能变差（图2）。当淬火成贝氏体组织时，其回火硬度降低到30HRC以下时，抛光性能急剧降低。
4、结论
（1）P20钢马氏体的回火组织是均匀细小的回火托氏体，具有良好的抛光性能；而粒状贝氏体的回火组织，由于组织粗大，抛光性能稍差一些。
（2）均匀细小的回火托氏体组织具有较好的抛光性能。在32～38HRC范围内抛光性保持恒定，是工业上的应用范围。
（3）P20塑料模具钢的锻造模块预硬化时，尽量淬火为马氏体组织。当有时模块尺寸较大，不容易淬透，则可淬火成贝氏体组织，再高温回火，也能获得满意的大抛光性能。这给预硬化处理提供了便利。
