熱作工具鋼性能研究

柳松青（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

熱作工具鋼性能研究

柳松青（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

這種熱作工具鋼綜合性能較好，本文從成分與組織結(jié)構(gòu)方面，給出了一定的分析，其含較少的昂貴合金元素，這就降低了材料的成本，為實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

熱作工具鋼；成分；性能

1 引言

本文研究的熱作工具鋼等向性（各向同性）要比一般傳統(tǒng)的工具鋼好，其組織純度高并且比較微細(xì)，這有利于提高材料的抗機(jī)械疲勞及熱應(yīng)力疲勞性能。采用這種工具鋼的模具，其硬度比普通的高，并且不會(huì)犧牲韌性，硬度高可以減緩模具的熱龜裂發(fā)生。這種材料可用于各種金屬壓鑄模具，擠壓模具，高品質(zhì)要求塑膠模具（如發(fā)動(dòng)機(jī)模具，汽車車燈模具等）。

2 材料的化學(xué)成分

試驗(yàn)研究的熱作工具鋼成分如表1，其余主要為鐵以及常規(guī)含量雜質(zhì)。在淬硬和回火狀態(tài)下鋼的組織為細(xì)晶粒板條狀馬氏體或部分貝氏體，無(wú)殘余奧氏體，含有彌散分布的晶間碳化物沉淀相，其中主要的碳化物相是碳化釩。1號(hào)為試驗(yàn)鋼，2、3號(hào)為對(duì)比研究鋼，4號(hào)為以前鋼種對(duì)比試樣。

表1 試驗(yàn)鋼與對(duì)比鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3 材料的制取

將試驗(yàn)材料鍛造和軋制成厚度為20mm的扁鋼，然后，將扁鋼在870℃軟化退火6h，以8℃/h的速度控制冷卻到650℃，最后空冷到室溫。軟化退火鋼的組織全是鐵素體，并含不同數(shù)量和不同類型的碳化物，1號(hào)試驗(yàn)鋼的主要碳化物相是球形碳化釩。

將軋制扁鋼制成試樣，并且在1050℃奧氏體化30min，然后將試樣在 820℃、770℃、720℃、670℃和620℃轉(zhuǎn)移到爐子里，保溫時(shí)間分別為 10、20、40、60、120min，等溫處理后，試樣在油中冷卻到室溫。淬硬性主要取決于碳和其他合金元素的含量，奧氏體晶粒度也具有一定的重要意義。除鈷之外，試驗(yàn)材料中用的所有合金元素都阻止珠光體轉(zhuǎn)變。

4 材料的性能研究

在高溫下進(jìn)行回火處理后得到的室溫硬度是用來(lái)對(duì)比抗回火性的良好尺度。為此，將軟化退火試樣由奧氏體溫度1050℃淬硬30min，淬入油中，然后在550℃和750℃之間兩次回火各1h，結(jié)果如圖1所示。

圖1 材料的硬度與回火溫度關(guān)系

從曲線來(lái)看，1號(hào)和2號(hào)鋼兩次回火后的硬度比較接近，回火溫度高于650℃時(shí)，3號(hào)鋼的硬度稍低于1號(hào)和2號(hào)鋼。在較低的溫度下，3號(hào)鋼的硬度較高。4號(hào)鋼與其他鋼號(hào)的曲線區(qū)別是，4號(hào)鋼在550～600℃回火后的硬度高于其他鋼號(hào)，在較高溫度退火后的硬度低于其他鋼號(hào)，其部分原因可能是該鋼的鉻含量較高，高鉻含量促進(jìn)了回火時(shí)碳化鉻先于碳化釩析出。

在未回火狀態(tài)，1和2號(hào)鋼的硬度低于3和4號(hào)鋼，其原因是碳化物的穩(wěn)定性較低，后兩種鋼的碳化物在奧氏體化時(shí)溶解得較快。在這些試驗(yàn)鋼種之中，1和2號(hào)鋼在650℃以上溫度下抗回火性最好。

在室溫和500～800℃進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣在1060℃奧氏體化溫度下淬硬40min，然后淬入油中，并回火到48HRC硬度，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2所示，1和2號(hào)鋼的室溫和高溫屈服點(diǎn)差不多，4號(hào)鋼比其他屈服點(diǎn)低，1和2號(hào)鋼具有較高屈服點(diǎn)是由于在回火過(guò)程中合金成分加速?gòu)浬⒎植嫉奶蓟C析出，有利于獲得良好的抗回火性，以及在高溫下獲得高的屈服強(qiáng)度，因?yàn)閺浬⒎植嫉奶蓟C能導(dǎo)致有效的和溫度穩(wěn)定的彌散硬度。2號(hào)鋼的高溫強(qiáng)度最高，其鈷含量較高，鈷能改善高溫特性。

熱拉伸試驗(yàn)時(shí)的斷面收縮率是衡量鋼的韌性或熱塑性的常用尺度，如圖3所示。

從曲線可以看出，3號(hào)鋼的斷面收縮率與其他鋼號(hào)有所不同，它在室溫和500℃、600℃時(shí)斷面收縮率較低。1號(hào)鋼在小于600℃時(shí)具有較好的斷面收縮率。在較高溫度區(qū)這些曲線匯合到一起，相互差別較小。3號(hào)鋼的熱塑性較差，是因?yàn)樗木Я］^粗，而晶粒粗可能是鋼的鉻和釩含量低造成的，結(jié)果是在奧氏體化時(shí)，大部分碳化物都溶解了，以致未留下碳化物起到晶粒長(zhǎng)大抑制劑的作用。從塑性方面考慮，需要細(xì)的奧氏體晶粒，并且釩與鉬含量搭配對(duì)于晶粒長(zhǎng)大有很大影響。

除4號(hào)鋼外，在任何試驗(yàn)條件下都未得到珠光體組織；4號(hào)鋼形成珠光體。鋼在不形成珠光體組織時(shí)的最低冷卻速率是鑒定鋼的淬硬性的尺度。因此可以看出，1、2和3號(hào)鋼的淬硬性優(yōu)于4號(hào)鋼。

5 結(jié)論

試驗(yàn)鋼與對(duì)比研究鋼和以前鋼種進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)鋼和對(duì)比研究鋼在650℃以上溫度下抗回火性最好，具有較高屈服點(diǎn)，有利于獲得良好的抗回火性，對(duì)比研究鋼的高溫強(qiáng)度最高，其鈷含量較高，鈷能改善高溫特性，但鈷是昂貴合金元素。試驗(yàn)鋼在小于600℃時(shí)具有較好的斷面收縮率，熱塑性較好。從綜合性能來(lái)看，試驗(yàn)鋼具有良好抗回火性、很高的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性以及較少的昂貴合金元素含量，因此，其可以作為一種良好性能的熱作工具鋼進(jìn)行使用。

Research on Performance of Hot Tool Steel

LIU SongQing
（Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilong jiang China）

By com parison w ith other tool steels in the performance the hot tool steel has better overall performance and contains less expensive alloying elem ents.The com position and m icrostruc ture have been analysed.The reduced cost of materials is surely a good p reparation for p ractical app lication.

Hot tool steel；Composition；Performance

TG142.45;

B；

1006－9658（2010）03－2

2009－12－31

2009－176

柳松青（1961-），男，工程師，從事金屬材料研究