H13模具鋼分析

眾所周知，鋼中增加碳含量將提高鋼的強(qiáng)度，對(duì)熱作模具鋼而言，會(huì)使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高，但會(huì)導(dǎo)致其韌度的降低。學(xué)者在工具鋼產(chǎn)品手冊(cè)文獻(xiàn)中將各類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個(gè)觀點(diǎn)。通常認(rèn)為導(dǎo)致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4%。為此要求人們?cè)阡摵辖鸹O(shè)計(jì)時(shí)遵循下述原則:在保持強(qiáng)度前提下要盡可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1550MPa以上時(shí),含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強(qiáng)度Rm，有文獻(xiàn)介紹為1503.1MPa(46HRC時(shí))和1937.5MPa(51HRC時(shí))。

查閱FORD和GM公司資料推薦的TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含C量都為0.39%和0.38%等，相應(yīng)的韌度指標(biāo)等列于表1，其理由可由此管窺所及。

對(duì)要求更高強(qiáng)度的熱作模具鋼，采用的方法是在H13鋼成分的基礎(chǔ)上提高Mo含量或提高含碳量，這將在后面還會(huì)論及，當(dāng)然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。

2.2 鉻：鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價(jià)廉的合金元素。在美國(guó)H型熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%范圍。在我國(guó)合金工具鋼（GB/T1299）的37個(gè)鋼號(hào)中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對(duì)鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時(shí)它溶入基體中會(huì)顯著改善鋼的耐蝕性能，在H13鋼中含Cr和Si會(huì)使氧化膜致密來(lái)提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對(duì)0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來(lái)分析，加入﹤6% Cr對(duì)提高鋼回火抗力是有利的，但未能構(gòu)成二次硬化；當(dāng)含Cr﹥6%的鋼淬火后在550℃回火會(huì)出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)。人們對(duì)熱作鋼模具鋼一般選5%鉻的加入量。

工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強(qiáng)化作用，另一部分與碳結(jié)合,按含鉻量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而來(lái)影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素的交互作用影響，如當(dāng)鋼中含鉻、鉬和釩時(shí)，Cr>3%^[14]時(shí)，Cr能阻止V4C3的生成和推遲Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強(qiáng)度和抗回火性的強(qiáng)化相^[14]，這種交互作用提高該鋼耐熱變形性能。

鉻溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都與Cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。人們習(xí)慣用淬透性因子加以表征,一般國(guó)內(nèi)現(xiàn)有資料[15]還只應(yīng)用Grossmann等的資料,后來(lái)Moser和Legat[16,22]的更進(jìn)一步工作提出由含C量和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確定的淬透性因子(示于圖3中)來(lái)計(jì)算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下式作近似計(jì)算: Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1) (1)式中各合金元素以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。由該式，人們對(duì)Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影響鋼淬透性有相當(dāng)明確的半定量了解。

Cr對(duì)鋼共析點(diǎn)的影響，它和Mn大致相似，在約5%的含鉻量時(shí)，共析點(diǎn)的含C量降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更顯著降低共析點(diǎn)含C量。為此可以知道：熱作模具鋼和高速鋼一樣屬于過(guò)共析鋼。共析含C量的降低，將增加奧氏體化后組織中和最后組織中的合金碳化物含量。

鋼中合金C化物的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)，實(shí)際上，合金C化物的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與相應(yīng)C化物形成元素的d電子殼層和S電子殼層的電子欠缺程度相關(guān)[17]。隨著電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增加，合金C化物由間隙相向間隙化合物變化，C化物的穩(wěn)定性減弱，其相應(yīng)熔化溫度和在A中溶解溫度降低，其生成自由能的*值減小，相應(yīng)的硬度值下降。具有面心立方點(diǎn)陣的VC碳化物，穩(wěn)定性高，約在900~950℃溫度開始溶解，在1100℃以上開始大量溶解（溶解終結(jié)溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃回火過(guò)程中析出，不易聚集長(zhǎng)大，能作為鋼中強(qiáng)化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化物具有密排和簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣，它們的穩(wěn)定性較差些，亦具較高的硬度、熔點(diǎn)和溶解溫度，仍可作為在500~650℃范圍使用鋼的強(qiáng)化相。M23C6(如Cr23C6等)具有復(fù)雜立方點(diǎn)陣，穩(wěn)定性更差，結(jié)合強(qiáng)度較弱，熔點(diǎn)和溶解溫度較低（在1090℃溶入A中），只有在少數(shù)耐熱鋼中經(jīng)綜合合金化后才有較高穩(wěn)定性（如（CrFeMoW）23C6,可作為強(qiáng)化相。具有復(fù)雜六方結(jié)構(gòu)的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩(wěn)定性更差，它和Fe3C類碳化物一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長(zhǎng)大速度，一般不能作為高溫強(qiáng)化相[17]。

我們?nèi)詮?/span>Fe-Cr-C三元相圖可以簡(jiǎn)便了解H13鋼中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面的相圖,對(duì)含0.4%C鋼中,隨Cr量增加會(huì)出現(xiàn)（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870℃圖上,只有含Cr量大于11%才會(huì)出現(xiàn)M23C6）。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr時(shí)的垂直截面,對(duì)含0.40%C的鋼在退火狀態(tài)下為α相（約固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。當(dāng)加熱至791℃以上形成奧氏體A和進(jìn)入（α+A+M7C3）三相區(qū),在795℃左右進(jìn)入（A+M7C3）兩相區(qū),約在970℃時(shí),（CrFe）7C3消失,進(jìn)入單相A區(qū)。當(dāng)基體含C量﹤0.33%時(shí),在793℃左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相區(qū),在796℃進(jìn)入（A+M7C3）區(qū)（0.30%C時(shí)），以后一直保持到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長(zhǎng)大的作用。Nilson提出，對(duì)1.5%C-13%Cr的成分合金，欠穩(wěn)定（CrFe）23C6不形成[20]。當(dāng)然,單以Fe-Cr-C三元系分析會(huì)有一些偏差,要考慮加入合金元素的影響。