鋼中碳含量增加將會提高鋼的強(qiáng)度,但是對于熱作模具鋼而言,鋼中碳含量增加會使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高,導(dǎo)致韌度降低。
對要求更高強(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M(jìn)o含量或提高含碳量,當(dāng)然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。
鉻是合金工具鋼中含有的和價廉的合金元素
在美國H型熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%范圍。在我國合金工具鋼(GB/T1299)的37個鋼號中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響,同時它溶入基體中會顯著改善鋼的耐蝕性能,在H13鋼中含Cr和Si會使氧化膜致密來提高鋼的抗氧化性。
再則以Cr對0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來分析,加入﹤6% Cr對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℃回火會出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)。對熱作鋼模具鋼一般選5%鉻的加入量。
鉻固溶強(qiáng)化
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,Cr>3%<sup>[14]</sup>時,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<sup>[14]</sup>,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,一般國內(nèi)現(xiàn)有資料[15]還只應(yīng)用Grossmann等的資料,后來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來計算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下式作近似計算: 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,對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對鋼共析點的影響,它和Mn大致相似,在約5%的含鉻量時,共析點的含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含C量。為此可以知道:熱作模具鋼和高速鋼一樣屬于過共析鋼。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)。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,其生成自由能的絕對值減小,相應(yīng)的硬度值下降。
具有面心立方點陣的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℃);它在500~700℃回火過程中析出,不易聚集長大,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單六方點陣,它們的穩(wěn)定性較差些,亦具較高的硬度、熔點和溶解溫度,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)雜立方點陣,穩(wěn)定性更差,結(jié)合強(qiáng)度較弱,熔點和溶解溫度較低(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,具有較大的聚集長大速度,一般不能作為高溫強(qiáng)化相。
從Fe-Cr-C三元相圖可以簡便了解H13鋼中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系700℃和870℃,對含0.4%C鋼中,隨Cr量增加會出現(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%才會出現(xiàn)M23C6)。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr時的垂直截面,對含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,(CrFe)7C3消失,進(jìn)入單相A區(qū)。
當(dāng)基體含C量﹤0.33%時,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),以后一直保持到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長大的作用。Nilson提出,對1.5%C-13%Cr的成分合金,欠穩(wěn)定(CrFe)23C6不形成。當(dāng)然,單以Fe-Cr-C三元系分析會有一些偏差,要考慮加入合金元素的影響。