H13钢的不同化学成分对其结构性能影响分析(3)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)艾福表面处理技术(上海)有限公司 作者:潘晓华

Mn

  几乎所有商业用钢都含一定数量的Mn。钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力,可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS,而以具有一定塑性的MnS存在,从而消除硫的有害影响,改善钢的热加工性能。在美国热作模具钢中H21~26和H41~43的含锰量均在(0.15~0.40)%范围内,H10~19的含锰量高于该范围。

  Mn具有固溶强化作用,从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度,虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅,但其对钢的延展性几乎没有影响。在铁素体-珠光体型钢中Mn是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。

  锰是弱碳化物形成元素,它可溶入渗碳体中形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,其形成可降低系统的自由能,即取于更稳定状态(注意Fe3C中的Fe可全部为Mn所取代,而Cr只可在Fe3C中固溶18%~20%(原子分数))。

  锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性,同时强烈减低钢的Ms点。Andrewn提出的Ms(℃)公式(适用于~0.6%C,~4.9%Mn,~5%Cr,~5%Ni和~5.4%Mo钢)为:

Ms(℃)=539-423C-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo        (2)

  关于淬透性的提高,已在前节作了说明。降低Ms点和增加淬火钢中的残余奥氏体量相联系,从而 为设计微变形钢提供途徑。有报道,高精度冷作模具钢CrMn2SiWMoV中Mn的量为(2.10~2.40)%。

  Mn加入钢中使Ac1、Ac3、Ar1和Ar3降低,这与细化铁素体和珠光体相联系,又会减薄碳化物片, 对F-P型钢的强化起积极作用。同时有资料介绍Mn和Ni类似有提高钢的韧度的作用。

  H13型二次硬化型模具钢,其含Mn量在(0.20~0.60)%范围。对改进型热作模具钢(如QRO90 super,Super Me和HOTVAR)含Mn在0.75%,处于较高的水平,与低Si高Mo型H13型钢Mn含量在(0.40~0.55)%范围(如ASSAB公司的Dievar钢)成明显对照。

Si

  硅是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素,仅次于磷,但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将Si限制在钢脱氧需要的范围内。如果将Si作为合金元素加入钢中,其量一般≮0.40%。

  置换固溶强化一般引起铁的球面对称畸变,它能与刃形位错产生弹性交互作用,一般不与螺形位错产生交互作用而阻止其运动。这样它与C、N原子的间隙固溶强化相比属于弱强化。人们已经知道:置换固溶的抗拉强度增值ΔRm为:

ΔRm = K×(X) (3)

  式中 X为溶质原子的质量百分数,n为系数,一般n≈0.75,K为强化系数,它反映合金元素的强化能力,对Si Ksi=75850 MPa;而KMn=48260MPa;KMo=61190MPa。

  Si的固溶使铁素体基体的点阵常数变小,其原子半径0.118nm,α-Fe为0.126nm,由此可见,使点阵常数缩小的固溶合金元素具有较有效的强化作用。

  Si也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度,使回火时析出的碳化物不易聚集,增加回火稳定性。另外,Si虽然不推迟ε碳化物的生成,但它可固溶于ε碳化物,并提高其稳定性,延迟ε→θ转变。第一类回火脆性与ε→θ转变和沿马氏体条间界分布形成连续薄膜有关,延迟ε→θ转变便意味着提高第一类回火脆性发生温度或抬高回火温度-硬度曲线,可使回火马氏体的ε碳化物与基体保持共格和均勻分布,使回火马氏体保持有良好的强韧性配合[17]。有资料表明,含1%Si相应可提高回火温度30~50℃,对0.45C-5Cr-2Mn钢,Si量从0.07%提高至1.0%可在(550~650)℃回火时获得较高硬度。但是,Si加入量过多,会使碳化物聚集的过时效速度增大,以至于难以控制,这样,其加入量限制在0.75%是比较合适的。

  另外,Si易使钢呈现带状组织,使钢的横向性能比纵向性能差,也使钢的脆性转折温度升高;Si还具有促进钢的脱碳敏感性;但Si有利于高温抗氧化性的提高。

  美国H型热作模具钢中H21~26和H41~43以及H19的Si含量最大为0.40%或略高,而H10~14钢的含Si量为(0.80~1.25)%,属含较高Si量的钢。

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