畢業(yè)論文：熱作模具鋼

1、摘 要隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的零件采用熱擠壓、精鍛、壓鑄等工藝成形，因此熱作模具的重要性日益顯著起來(lái)。壓鑄銅合金生產(chǎn)模具上的一些重要零件，在工作時(shí)直接接觸900左右的高溫液體銅合金，工作條件非常惡劣，使用壽命低，熱作模具材料的選擇成為影響壓鑄銅合金業(yè)發(fā)展的主要因素之一。針對(duì)目前銅合金壓鑄模具壽命低，易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，本文在銅合金壓鑄模具鋼組織性能方面進(jìn)行了探討性研究。在h13鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)合金化學(xué)成分設(shè)計(jì)、熱處理等，研制出一種銅合金壓鑄模具鋼。合金化學(xué)成分(wt%):c: 0.360.42 si: 0.250.50 cr: 2.202.70 mo: 2.002.50 mn:

2、0.901.30 b: 0.0020.006 nb: 0.040.10 v: 0.901.0，該鋼在在1150淬火，650回火（保溫1.5h）具有微細(xì)的顯微組織和較高的強(qiáng)韌性配合。其回火組織為細(xì)小的屈氏體，上面均勻分布著細(xì)小尺寸的碳化物，使該模具鋼保持高的強(qiáng)度，同時(shí)還具有較好的塑性，符合銅合金壓鑄模具的要求。本文重點(diǎn)研究了在淬火溫度相同時(shí)，不同回火溫度對(duì)鋼組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，新鋼種的回火穩(wěn)定性較好，在650回火硬度仍保持48hrc左右，抗拉強(qiáng)度為1314.5mpa，伸長(zhǎng)率16.2%。明顯高于h13鋼在相同條件下的力學(xué)性能。本課題為進(jìn)一步研究銅合金壓鑄模具鋼提供可行的理論方法。通過(guò)調(diào)

3、整合金元素含量，優(yōu)化熱處理工藝等來(lái)提高模具鋼強(qiáng)度、塑性及抗熱疲勞性能等，進(jìn)一步提高銅合金壓鑄模具的使用性能。關(guān)鍵詞：熱作模具鋼；顯微組織；力學(xué)性能abstractwith the high-speed development of mechanical industry, more and more parts are processed by hot extrusion、die casting and finish forging, so the hot working dies play an increasingly important role in today. some impor

4、tant parts used in copper alloy die-casting mold production, when working, contact directly with liquid copper alloys about 900 with low life expectancy, the choices of hot pieces of material is one of the main factors impacting on copper alloy die-casting industry develop. considering the problem o

5、f low life and easy to crack of copper alloy die-casting mold now, copper alloy die-casting mold steel properties was studied in this paper.a new copper alloy die-casting mold steel was developed through optimization of alloy composition, spheroidisation on the basis of h13. the alloy composition wa

6、s as follows(wt%): c: 0.360.42, si: 0.250.50, cr: 2.202.70, mo: 2.002.50, mn: 0.901.30, b: 0.0020.006, nb: 0.040.10, v: 0.901.0，fe: remains. the steel in the 1150 quenching, tempering 650(insulation 1.5h) has fine microstructure and higher strength and toughness. the quenching structures of steel co

7、nsist of troostite and a small amount of carbide.the study was mainly focused on the effect of mechanical property on the same conditions of temperature quenching and different conditions of steel tempering temperature. the results show that the new types of steel tempering stability is better, temp

8、ered at 650 hardness 49.5hrc, tensile strength of 1314.5mpa, elongation 16.2%. the mechanical properties of the new steel is obviously higher than the h13 under the same conditions.it provides a possible theory to further research copper alloy die-casting mold steel. by adjusting the content of allo

9、ying elements and choosing heat treatment process, we could improve the strength, plastic and thermal fatigue properties of the die steel. it will also greatly enhance copper alloy die-casting mold performance. keywords: hot die steel; microscopic structure; mechanical property ii 目 錄摘 要iabstractii第

10、1章 緒論11.1 本課題研究的內(nèi)容及意義11.2 模具的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 熱作模具鋼的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展31.3.1 國(guó)外熱作模具鋼的研究現(xiàn)狀31.3.2 國(guó)內(nèi)熱作模具鋼的研究現(xiàn)狀41.4 銅合金壓鑄的發(fā)展現(xiàn)狀51.5 銅合金壓鑄模具鋼的性能要求61.5.1 模具鋼的硬度和紅硬性61.5.2 模具鋼的強(qiáng)韌性61.5.3 模具鋼的抗熱疲勞性71.5.4 模具鋼的耐磨性71.5.5 模具鋼的抗氧化性71.5.6 模具鋼的淬透性71.6 合金化元素在模具鋼中的作用81.6.1 mn元素的作用81.6.2 si元素的作用81.6.3 cr元素的作用91.6.4 mo元素的作用91.6.5 v元素的

11、作用91.6.6 nb元素的作用101.6.7 b元素的作用101.7 本課題研究的主要內(nèi)容10第2章 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法122.1 實(shí)驗(yàn)用鋼的制備122.1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)122.1.2 原材料132.1.3實(shí)驗(yàn)用鋼的熔煉132.1.4 熔煉工藝過(guò)程142.2 熱處理工藝142.2.1鍛造工藝142.2.2 鍛材等溫退火152.2.3 淬火、回火工藝152.3力學(xué)性能測(cè)試162.3.1 拉伸性能162.3.2 硬度測(cè)量162.4 組織與成分分析16第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析173.1 鍛件退火后組織分析173.2 淬火、回火后的組織分析183.2.1回火溫度對(duì)鋼組織的影響193.2.2 650的回

12、火組織213.3 力學(xué)性能分析223.4 回火溫度對(duì)硬度的影響23第4章 結(jié)論24參 考 文 獻(xiàn)25致 謝27 iv沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論以往銅合金產(chǎn)品的成形方法大多采用離心鑄造，該工藝為：離心鑄造或外購(gòu)銅管，經(jīng)粗車(chē)、細(xì)車(chē)、鏜孔、鉚接而成。該工藝加工工序多，制造周期長(zhǎng)，加工余量大，材料消耗多，材料利用率低（只有20%左右），熔耗大；另外，由于鑄造毛坯的力學(xué)性能較差，使一些工件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；同時(shí)勞動(dòng)條件和作業(yè)環(huán)境也比較差。而利用壓鑄方式成型會(huì)大幅度降低成本并且提高生產(chǎn)效率。壓鑄銅合金生產(chǎn)設(shè)備上的一些重要零件，如頂桿、模芯等熱作件在工作時(shí)直接接觸900左右的高溫液體銅合金

13、，工作條件非常惡劣，使用壽命低，熱作件材料的選擇成為影響壓鑄銅合金業(yè)發(fā)展的主要因素之一。目前，壓鑄模具鋼常用h13鋼，該鋼為馬氏體型熱作模具鋼1以cr、mo、v等元素為主要合金化元素，在600以下具有較好的高溫強(qiáng)度，但當(dāng)使用溫度超過(guò)650時(shí)，其高溫性能?chē)?yán)重下降，不能滿足銅合金熱作模具的性能要求。為此，我們配制了一種新型的熱作模具鋼，考慮其壓鑄模具在生產(chǎn)中出現(xiàn)高成本、低壽命的問(wèn)題，以提高模具壽命、降低生產(chǎn)成本為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)研究，研究這種鋼的室溫、高溫力學(xué)性能及顯微織等。1.1 本課題研究的內(nèi)容及意義為了降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高材料利用率，銅合金軸承保持架采用壓鑄的方法。但由于

14、銅液溫度高，且導(dǎo)熱性極好好，工件傳遞給模具的熱量大且快，常使模具在極短的時(shí)間內(nèi)升到較高的溫度，然后又很快降溫，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓鑄模具在高溫的工作條件下壽命較低。通過(guò)對(duì)模具鋼組織性能的研究，來(lái)提高壓鑄模具壽命，可以解決模具費(fèi)用高、損耗速度快等缺點(diǎn)，使其節(jié)省成本，順利投入大批量生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)以測(cè)試分析銅合金壓鑄模具鋼組織性能特點(diǎn)，改善熱處理工藝來(lái)提高熱作模具鋼的組織性能，總結(jié)出較優(yōu)質(zhì)的材料，研制開(kāi)發(fā)具有低成本、低能耗、高壽命的新型鑄造熱作模具鋼，將銅合金以壓鑄的方式成形，使銅合金壓鑄得到更廣泛的應(yīng)用。因此，本研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。1.2 模具的發(fā)展現(xiàn)狀模具由于成本高、價(jià)格昂貴，

15、素有“黑色黃金”之稱(chēng)，國(guó)外將模具比喻為“金鑰匙”、“金屬加工皇帝”、“進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力”。目前，模具技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。全世界模具鋼市場(chǎng)總量在600-650 億美元之間波動(dòng)27。其中日本是模具第一大國(guó)，每年超過(guò)100億美元。我國(guó)加入wto以后，各行業(yè)產(chǎn)品的品種和數(shù)量不斷增加，換型加快，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、樣式和外觀也不斷提出新要求，致使模具需求量增加對(duì)模具的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。因此，迅速提高模具技術(shù)水平已成為當(dāng)務(wù)之急。例如，日本汽車(chē)、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品的品種、數(shù)量、質(zhì)量在國(guó)際市場(chǎng)占有優(yōu)勢(shì)地位，其重原因之一就是日本模具技術(shù)居于世界領(lǐng)先水平。從資料獲悉，目前，美

16、國(guó)、日本德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的模具總產(chǎn)值都已超過(guò)機(jī)床總產(chǎn)值。模具技術(shù)的進(jìn)步極大地促進(jìn)了工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展，模具是“效益放大器”，用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價(jià)值將超過(guò)模具自身價(jià)格的幾十倍乃至上百倍、上千倍。近10年來(lái)，我國(guó)模具工業(yè)一直以每年15%的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展。2005年模具行業(yè)的發(fā)展迅速，模具銷(xiāo)售額610億元，同比增長(zhǎng)25%，排在世界第三位。模具出口大幅增長(zhǎng)，表明模具水平和競(jìng)爭(zhēng)力提高。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2005年模具出口7.4億美元，同比增長(zhǎng)50%以上。模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更趨高檔、復(fù)雜、精密，長(zhǎng)壽的模具壽命份額提高到30%。具體數(shù)據(jù)如表1-1所示。今后我國(guó)的模具工業(yè)仍有較大的增長(zhǎng)，技術(shù)含量高的模具仍為國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)

17、8。表1-1 1995年以來(lái)中國(guó)歷年模具產(chǎn)值表年份1995199619971998199920002001200220032004產(chǎn)值（億元）1451602002202502803163604505301.3 熱作模具鋼的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展熱作模具鋼的發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要是密不可分的，隨著新的生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)，對(duì)熱作模具鋼提出新的要求。同時(shí)，模具因其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、材料消耗低、生產(chǎn)成本低而獲得廣泛應(yīng)用，這是其他加工制造業(yè)所無(wú)法比擬的。1.3.1 國(guó)外熱作模具鋼的研究現(xiàn)狀 近年來(lái)（特別是2001 年以來(lái)），國(guó)外很多大鋼廠都推出了性能優(yōu)異的新型熱作模具鋼種。比如，奧地利百樂(lè)鋼廠通過(guò)合理

18、的成分配比，通過(guò)選精料、真空冶煉及重熔、最優(yōu)化擴(kuò)散退火、組織處理和特殊退火處理，開(kāi)發(fā)了bohler w400 vmr新型熱作模具鋼。uddeholm 公司采用新的生產(chǎn)工藝和精煉技術(shù)，降低了碳含量和硅含量，增加了鉬含量，開(kāi)發(fā)了 dievar 熱作模具鋼，該鋼比 h13 鋼具有更加優(yōu)良的抗熱疲勞、抗熱沖擊和抗熱磨損性能，具有更長(zhǎng)的使用壽命。法國(guó)奧博杜瓦公司在h11的基礎(chǔ)上，添加微合金元素ta等開(kāi)發(fā)出 adc3，該鋼具有良好的韌性和優(yōu)異的抗熱疲勞性能。德國(guó)蒂森把h13鋼的鉬含量增加了1.7倍（鉬含量達(dá)到 3wt.%），同時(shí)應(yīng)用微合金技術(shù)，推出了gs344m，解決了h13鋼高溫紅硬性差的問(wèn)題，使得 g

19、s344m 在 650回火時(shí)，硬度可以達(dá)到hrc47以上。德國(guó)還推出了含鉬量達(dá)到5%和9%的優(yōu)質(zhì)模具鋼 gs885 和 gs999，具有更高的高溫紅硬性；同時(shí)還推出了含 co 的 gs888 等優(yōu)質(zhì)模具鋼。日本大同特殊鋼有限公司由于在成分設(shè)計(jì)上取得突破，加上合理的精煉工藝（真空純凈化和高溫均勻化），推出了 dh31-s 鋼。日本日立金屬和高周波公司也推出了含有 co 和 ni 的優(yōu)質(zhì)模具鋼 dac55 和 amax，使鋼在具有較強(qiáng)的高溫性能的同時(shí)，還具有較高的韌性。表1-2是近年來(lái)國(guó)外最新推出的熱作模具鋼化的學(xué)成分。表中帶*部分鋼號(hào)的化學(xué)成分是由國(guó)外鋼廠提供試樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室光譜分析得到的。表1

20、-2 近年來(lái)國(guó)外最新推出的熱作模具鋼化學(xué)成分9鋼號(hào)元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它w400(奧地利)*dievar（瑞典）*adc3（法國(guó)）*gs344m（德國(guó)）*gs888（德國(guó)）*gs999（德國(guó)）*dac55（日本0*dh31-s（日本0*amax（日本）*0.390.390.350.430.20.450.420.410.44.674.805.055.09.53.05.114.95.51.42.41.32.922.05.02.442.23.2-5.5-0.40.50.470.5-1.00.70.510.80.190.240.250.250.250.20.20.20.1-co:1

21、0-ni:0.64,co:0.58-ni:0.6,co:0.6附注a：帶“*”鋼化學(xué)成分是國(guó)外鋼廠提供試樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)光譜分析得到。1.3.2 國(guó)內(nèi)熱作模具鋼的研究現(xiàn)狀hm1(4cr3mo3w2v)鋼和hm3(3cr3mo3vnb)鋼是結(jié)合我國(guó)資源條件研制而成的。hm1鋼獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)，在h10（3cr3mo3v）的基礎(chǔ)上，增加鎢并提高釩含量，在保持較好的強(qiáng)韌性條件下提高其熱穩(wěn)定性（國(guó)外加入鈷）這兩種鋼突出的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的室溫與高溫沖擊韌性和優(yōu)良的抗熱疲勞性能，適用于制造高溫、高速、高載荷、水冷條件下工作、因斷裂或熱疲勞失效的熱作模具。gr鋼（4cr3mo3w4vtinb）含有較高的鎢和少量的鈦

22、和鈮，具有最高的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性以及良好的熱疲勞性，適用于制造溫度較高，與工件接觸時(shí)間長(zhǎng)，容易引起熱變形塌陷或熱磨損失效的模具。tm 鋼與 qro90 鋼的成分不同之處是加入了 1%的w。y4鋼的成分與 qro90 鋼的成分不同之處是加入了少量的 nb 和微量的 b對(duì) hd2 鋼的研究表明，適當(dāng)?shù)暮辖鹪嘏浔葘?duì)改善鋼的性能是十分重要的。1%ni 能增加二次硬化峰值的硬度，提高斷裂韌性和鋼的室溫和高溫塑性及韌性。表1-3是近年來(lái)國(guó)內(nèi)最新推出的熱作模具鋼化的學(xué)成分。表1-3 國(guó)產(chǎn)主要熱作模具鋼化學(xué)成分1012鋼號(hào)元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它c(diǎn)hdhm1hm3grhdtmy4012a0

23、.250.350.320.420.20.280.370.470.350.450.40.40.470.572.83.32.83.32.63.22.53.52.53.02.82.83.84.31.53.02.53.02.73.22.03.01.82.22.12.12.83.3-1.21.8-3.54.5-1.0-0.30.50.81.20.60.81.01.41.01.41.01.00.91.20.40.20.20.10.270.140.220.40.40.81.1ni,nb,re-0.080.15nb0.10.2nb0.002b1.0mn1.0mn0.30.7al國(guó)內(nèi)在六五、七五期間曾經(jīng)大力發(fā)展

24、模具鋼，引進(jìn)和開(kāi)發(fā)了不少適合國(guó)情的新鋼種，取得了良好的效果，使用壽命較早期的國(guó)產(chǎn)模具鋼有明顯提高，為中國(guó)模具產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外模具鋼有了突飛猛進(jìn)的快速發(fā)展，很多大鋼廠都推出了高壽命優(yōu)質(zhì)的新鋼種，但是國(guó)內(nèi)模具鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作幾乎處于一種停滯狀態(tài)。目前，國(guó)產(chǎn)新鋼種的使用僅占模具鋼總產(chǎn)量的2%左右。我國(guó)一方面是模具行業(yè)產(chǎn)值高速增長(zhǎng)，另一方面是國(guó)產(chǎn)模具鋼所占比重越來(lái)越小，這不得不引起國(guó)人的深思和警惕，因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)高壽命熱作模具鋼具有十分緊迫的重要意義。1.4 銅合金壓鑄的發(fā)展現(xiàn)狀目前，就所查到的資料，美國(guó)1998年汽車(chē)用銅鑄件增長(zhǎng)7%，近年來(lái),

25、隨著科技的飛速發(fā)展，鑄造業(yè)在生產(chǎn)領(lǐng)域中大量采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，有色合金鑄造表現(xiàn)得尤為突出。壓鑄的發(fā)展就是典型代表，無(wú)論是設(shè)備及控制，還是壓鑄工藝及壓鑄合金等各方面都不斷取得新進(jìn)展。隨著汽車(chē)、摩托車(chē)等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，減少本體質(zhì)量、節(jié)約能耗、降低污染等設(shè)計(jì)要求的實(shí)現(xiàn)，大大促進(jìn)了有色合金鑄件, 這不僅因?yàn)閴鸿T的效率和出品率非常高，而且還可以最大限度地減少鑄件壁厚以減輕鑄件質(zhì)量，減少后續(xù)加工量，同時(shí)鑄件具有較好的表面質(zhì)量和尺寸精度13 。我國(guó)經(jīng)過(guò)建國(guó)50年來(lái)的發(fā)展，特別是改革開(kāi)放20年來(lái)，鑄造工業(yè)取得了很大的發(fā)展，大量引進(jìn)了新的工藝、新設(shè)備，并有外資企業(yè)大量進(jìn)入，帶動(dòng)了我國(guó)的鑄造企業(yè)，

26、使我國(guó)進(jìn)入了世界鑄件生產(chǎn)大國(guó)的行列，年產(chǎn)鑄件超過(guò)了1000萬(wàn)。有色合金鑄件的發(fā)展更快，特別是壓鑄工業(yè)，保持著年增長(zhǎng)率8%12%14。年產(chǎn)壓鑄件30余萬(wàn)，其中銅等占2.2%，銅合金鑄件增加了216.7%。2003年,我國(guó)銅產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)170萬(wàn)，資源是有保障的。隨著房地產(chǎn)的迅猛發(fā)展，銅閥門(mén)、廚衛(wèi)五金和裝飾件的市場(chǎng)需求日益增多，銅合金壓鑄件產(chǎn)量也有所增長(zhǎng)，但其量甚微。2002銅合金壓鑄件產(chǎn)量為5280，僅占?jí)鸿T件總產(chǎn)量的0.84%。這主要由于銅合金壓鑄的模具壽命問(wèn)題尚未根本突破，從而制約了銅合金壓鑄件生產(chǎn)的發(fā)展15。1.5 銅合金壓鑄模具鋼的性能要求1.5.1 模具鋼的硬度和紅硬性硬度是模具鋼的重要

27、性能指標(biāo)。模具在工作中應(yīng)能在壓應(yīng)力的作用下，保持其形狀和尺寸不會(huì)迅速發(fā)生變化。因此，經(jīng)過(guò)熱處理后的模具應(yīng)具有足夠高的硬度，熱作模具硬度一般在hrc4250范圍內(nèi)。紅硬性與熱穩(wěn)定性是指模具在受熱或高溫工作條件下，能夠保持組織和性能穩(wěn)定，具有抗軟化的能力，在500600條件下，仍保持足夠高的硬度。鋼的紅硬性和熱穩(wěn)定性主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理制度，它是熱作模具鋼的重要性能指標(biāo)之一。1.5.2 模具鋼的強(qiáng)韌性模具在工作中承受較大負(fù)荷以及沖擊、震動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲和剪切等復(fù)雜應(yīng)力，重負(fù)荷的模具往往由于強(qiáng)度不夠、韌性不足，造成模具邊緣或局部斷裂而提前損壞。因此，使模具鋼保持足夠的強(qiáng)度和韌性有利于延長(zhǎng)模具

28、壽命。但是，鋼的晶粒度和鋼中碳化物的數(shù)量、大小及分布情況以及殘余奧氏體量等，均對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性有很大的影響。例如，隨著鋼中晶粒的長(zhǎng)大和碳化物分布不均勻度的增加，鋼的強(qiáng)度下降，而對(duì)韌性影響則更為明顯。實(shí)踐表明，根據(jù)使用條件和性能要求，合理地選擇模具鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)及熱處理工藝能夠得到足夠高的強(qiáng)度和韌性的最佳配合。1.5.3 模具鋼的抗熱疲勞性熱作模具在服役過(guò)程中頻繁地被加熱和冷卻，模腔表面由于反復(fù)急冷急熱產(chǎn)生交變熱應(yīng)力作用，極易發(fā)生熱疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有60%70%的鋁合金壓鑄模和95%以上的銅合金壓鑄模具都因熱疲勞開(kāi)裂失效16。大量資料表明，熱疲勞是熱作模具的主要失效形式之一和壽命限制因

29、素1722。因此，熱作模具鋼必須具有好的抗熱疲勞性。1.5.4 模具鋼的耐磨性熱作模具型腔表面由于熱金屬運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生高溫氧化磨損現(xiàn)象。由于高溫下，空氣中的氧會(huì)與金屬和潤(rùn)滑劑中某些成分生成氧化物，破壞潤(rùn)滑劑的作用，從而使模具與壓鑄件和氧化物直接接觸，加速模具磨損。模具的磨損一是空氣中的氧引起的氧化磨損；二是嚴(yán)重的氧化磨損導(dǎo)致的粘著磨損。1.5.5 模具鋼的抗氧化性熱作摸具鋼在使用中常常在氧化氣氛中加熱，表面容易發(fā)生氧化。當(dāng)模具發(fā)生氧化時(shí)，使用中易產(chǎn)生早期疲勞裂紋。另外，氧化膜脫落不僅會(huì)使模具型腔尺寸變小，而且脫落的氧化物還會(huì)引起磨粒磨損，造成模具的早期磨損，加速模具失效，降低熱作模具的使用壽命。因

30、此，抗氧化性能是熱作模具鋼非常重要的性能。1.5.6 模具鋼的淬透性模具用鋼優(yōu)良的淬透性是保證模具淬火后獲得整體均勻高強(qiáng)度馬氏體組織的有效保證，對(duì)大型模具的淬透性要求更加嚴(yán)格。銅合金壓鑄模具鋼必須滿足以上性能要求，在具體選擇銅合金壓鑄熱作模具材料時(shí)，必須對(duì)其工作特性及性能要求有所了解，如模腔表面溫度的高低，工作時(shí)模具承載和加載速度的大小及模具的冷卻方式等。鋼中的碳及合金元素對(duì)熱疲勞性能的影響取決于其含量及存在狀態(tài)。合金元素與碳形成碳化物的類(lèi)型、尺寸、形狀、數(shù)量和熱穩(wěn)定性與熱疲勞抗力密切相關(guān)。v的碳、氮化物不僅可以在高溫起到彌散強(qiáng)化的作用，而且可以改變?nèi)渥冏冃螜C(jī)制，使其由沿穿晶位錯(cuò)滑移變?yōu)檠鼐Ы?/p>

31、滑移。彈簧鋼中加入ni可以提高其抗腐蝕疲勞性能，低碳低硫可以提高其韌性，而加入v可以提高其斷裂強(qiáng)度23 ，稀土y可改善鑄造熱作模具鋼的抗氧化性能24。加入稀土元素后，這些稀土元素在合金表面形成稀土氧化物（y2o3 和 ce2o3 等）質(zhì)點(diǎn)可作為 cr2o3膜的形核核心，促進(jìn)保護(hù)膜的形成。1.6 合金化元素在模具鋼中的作用1.6.1 mn元素的作用幾乎所有商業(yè)用鋼都含一定數(shù)量的mn。鋼中含有mn可以改變鋼在凝固時(shí)所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀。同時(shí)它與s有較大的親合力,可以避免在晶界上形成低熔點(diǎn)的硫化物fes，而以具有一定塑性的mns存在,從而消除硫的有害影響,改善鋼的熱加工性能25。在美國(guó)熱作模具

32、鋼中h2126和h4143的含錳量均在(0.150.40)%范圍內(nèi)，h10h 19的含錳量高于該范圍。mn具有固溶強(qiáng)化作用，從而提高鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度，雖然其固溶強(qiáng)化效果不及碳、磷和硅，但其對(duì)鋼的延展性幾乎沒(méi)有影響。在鐵素體-珠光體型鋼中mn是唯一可使屈服強(qiáng)度增加又使冷脆轉(zhuǎn)變溫度變化最小的合金元素。錳是弱碳化物形成元素，它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體(fe，mn)3c，其形成可降低系統(tǒng)的自由能，即趨于更穩(wěn)定狀態(tài)（注意fe3c中的fe可全部為mn所取代，而cr只可在fe3c中固溶18%20%(原子分?jǐn)?shù))）。錳溶入奧氏體中能強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，同時(shí)強(qiáng)烈減低鋼的ms點(diǎn)。mn加入鋼中使ac1、

33、ac3、ar1和ar3降低，這與細(xì)化鐵素體和珠光體相聯(lián)系，又會(huì)減薄碳化物片, 對(duì)f-p型鋼的強(qiáng)化起積極作用。1.6.2 si元素的作用 硅是一個(gè)對(duì)鐵素體進(jìn)行置換固溶強(qiáng)化非常有效的元素，僅次于磷，但同時(shí)在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。一般都將si限制在鋼脫氧需要的范圍內(nèi)。si也為提高回火抗力的有效元素。si降低碳在鐵素體中的擴(kuò)散速度，使回火時(shí)析出的碳化物不易聚集，增加回火穩(wěn)定性。另外，si雖然不推遲碳化物的生成，但它可固溶于碳化物，并提高其穩(wěn)定性，延遲轉(zhuǎn)變。第一類(lèi)回火脆性與轉(zhuǎn)變和沿馬氏體條間界分布形成連續(xù)薄膜有關(guān)，延遲轉(zhuǎn)變便意味著提高第一類(lèi)回火脆性發(fā)生溫度或提高回火溫度-硬度曲線，可使回火馬氏體

34、的碳化物與基體保持共格和均均勻分布，使回火馬氏體保持有良好的強(qiáng)韌性配合。1.6.3 cr元素的作用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。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。鉻

35、溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性，crmnmosini都與cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。1.6.4 mo元素的作用mo溶于fe中也具固溶強(qiáng)化的作用，mo溶解于奧氏體中能提高鋼的淬透性。mo是作為使鋼具有二次硬化的主要合金元素加入的，現(xiàn)在普遍認(rèn)為，這是由于在回火時(shí)馬氏體中析出mo2c造成。為了產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，要求mo的加入量不低于1.0%，加入3%mo時(shí)可取得接近極值的效果。當(dāng)加入量為2.0%2.5%時(shí)，可獲得最合經(jīng)濟(jì)和有效的效果26。mo會(huì)提高鋼的脫碳氧化敏感性，一般認(rèn)為含3%mo是使鋼發(fā)生脫碳敏感的臨界加入量。mo還可以降低回火脆性的敏感性。1.6.5 v元素的作用v是置換固溶強(qiáng)化鐵素體和

36、形成奧氏體圈的元素。它和c，n的親和力強(qiáng)。人們已知過(guò)渡族金屬與c的親和力因?yàn)槠鋎電子殼層電子未填滿，碳原子將其價(jià)電子填入過(guò)渡族金屬d電子殼層。對(duì)vc，rc/rm =0.57（0.59），形成間隙相化合物，具有fcc點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，但在點(diǎn)陣的正八面體間隙并不都有碳原子，即存在碳原子缺位，這樣，碳化釩并不嚴(yán)格按化學(xué)式，一般表示為v4c3（vc0.980.75），所以其點(diǎn)陣常數(shù)和硬度在一定范圍內(nèi)變化。vc的g298o為83.7kjmol27，熔點(diǎn)為2830，硬度為2400hv，其殘留在鋼內(nèi)將有利于耐磨性提高。其全部溶于a的溫度為1413。v在工具鋼中的主要作用是細(xì)化鋼的晶粒和組織，增加鋼的回火穩(wěn)定性和增強(qiáng)

37、二次硬化效應(yīng)。一般介紹，v加入0.05%可細(xì)化晶粒，隨加入量增加，細(xì)化效果加強(qiáng)。因?yàn)榧仁箿囟融吔?00 ，v的碳化物穩(wěn)定性仍高，仍能保持細(xì)小，所以v是有效阻止a晶粒粗化的元素，也是在高溫下服役的鋼的重要合金化元素。1.6.6 nb元素的作用微量的nb可增加mc碳化物的數(shù)量，減少m23c6數(shù)量，使碳化物平均尺寸減少；還可以提高mc的溶解溫度，有助于鋼在淬火時(shí)可以保留更多的mc碳化物，從而穩(wěn)定奧氏體晶粒不至于顯著長(zhǎng)大。鋼中加入微量nb ,提高了m6c和mc型碳化物的穩(wěn)定性，細(xì)化了晶粒，降低了過(guò)熱敏感性。nb不僅能細(xì)化奧氏體晶粒，而且還能使回火后的組織相對(duì)細(xì)小，同時(shí)也改變了碳化物的顆粒度和分布情況，

38、使碳化物分布更加均勻彌散。1.6.7 b元素的作用微量的b可以具有提高模具鋼的淬透性、高溫強(qiáng)度、強(qiáng)化晶界的作用。鋼中添加硼能顯著節(jié)省鎳、鉻、鉬等昂貴的合金元素，有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。硼的主要優(yōu)點(diǎn)是在保證模具鋼有所需高的淬透性和力學(xué)性能的同時(shí)，降低模具鋼的成本。1.7 本課題研究的主要內(nèi)容由于銅合金壓鑄熱作模具的復(fù)雜工況和特殊的失效形式，熱作模具鋼不僅要具有較高的淬透性、強(qiáng)韌性、紅硬性和熱穩(wěn)定性，還要具有較好的抗熱疲勞性能和熱磨損性能。但目前應(yīng)用的商業(yè)化熱作模具鋼并不能完全滿足上述的性能要求。3cr2w8v鋼雖然具有較高的熱強(qiáng)性，使用溫度可以達(dá)到650，但是w系模具鋼導(dǎo)熱性和抗熱疲勞性能差，塑、韌性

39、低，容易發(fā)生早期斷裂失效。以鉻含量為 5wt%的h13為代表的h系列熱作模具鋼具有良好的淬透性和抗熱疲勞性及較高的韌性，但h13鋼在600以上的熱強(qiáng)性欠佳，不適合壓鑄高熔點(diǎn)合金。綜上所述，本課題通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)、球化處理及強(qiáng)韌性熱處理等手段控制鋼的組織結(jié)構(gòu)，盡量獲得對(duì)鋼的強(qiáng)韌性有利的組織結(jié)構(gòu)，使這種鋼具有高淬透性、強(qiáng)韌性和抗氧化性的良好配合，來(lái)提高其抗熱疲勞性能，使其使用壽命與進(jìn)口優(yōu)質(zhì)模具鋼相當(dāng)，達(dá)到銅合金壓鑄模具使用性能的要求。本課題重點(diǎn)研究熱處理工藝對(duì)鑄造熱作模具鋼微觀組織、力學(xué)性能及夾雜物的影響，并分析影響規(guī)律和作用機(jī)制。并將其組織性能與h13進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化出具有較佳性能的微量元素化學(xué)成

40、分。為進(jìn)一步研究銅合金壓鑄模具鋼提供理論基礎(chǔ)。第2章 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法2.1 實(shí)驗(yàn)用鋼的制備2.1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)化學(xué)成分設(shè)計(jì)主要考慮在保持h13鋼特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，盡量提高模具鋼的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)良特點(diǎn)。一般情況下，cr元素易形成富cr的m23c6型碳化物，這種碳化物較為粗大，易降低材料的塑、韌性。 因此，在保證強(qiáng)度的前提下,可以適當(dāng)降低cr含量，同時(shí)以b來(lái)提高因減少cr含量而降低的淬透性和高溫強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，mo含量的提高可以增加m2c碳化物的形成驅(qū)動(dòng)力，延緩mc和m2c向m23c6轉(zhuǎn)變26，經(jīng)高溫回火析出m2c型碳化物產(chǎn)生二次硬化,可有效改善鋼的高溫性能。另外由于nb的mc型碳化物更為穩(wěn)

41、定細(xì)小，因而有助于在提高奧氏體化溫度時(shí)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。較高的奧氏體化溫度可以將許多粗大的碳化物充分溶解，使馬氏體中碳和合金元素含量增加，提高淬火后的硬度；同時(shí)淬火溫度提高還有助于回火時(shí)彌散碳化物的析出，增加二次硬化效果，進(jìn)一步提高強(qiáng)韌性，也可提高回火穩(wěn)定性和熱疲勞抗力。新設(shè)計(jì)鋼種與h13鋼的化學(xué)成分比較如表2-1所示。表2-1 新鋼種與h13鋼的成分/wt%化學(xué)元素h13新鋼種c0.320.450.360.42si0.801.200.250.50mn0.20.500.901.30cr4.755.502.202.70mo1.101.7502.002.50v0.801.200.901.30b0

42、.0020.006nb0.040.10s、p0.030s0.010， p0.0302.1.2 原材料試驗(yàn)用原材料如表2-2所示。表2-2 原材料化學(xué)成分原料名稱(chēng)化 學(xué) 成 分 /wt.% csicrmomnbnbvh13鋼45#鋼鉬鐵鈮鐵硼鐵錳0.400.451.05.01.4055.00.4099.019.060.01.02.1.3實(shí)驗(yàn)用鋼的熔煉本實(shí)驗(yàn)用鋼為自行配制的銅合金壓鑄熱作模具鋼。其化學(xué)成分如表2-3所示。表2-3熱作模具鋼化學(xué)成分/wt.% csicrmomnbnbv0.410.42.62.21.20.0040.091鋼的熔煉在沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)鑄造實(shí)驗(yàn)室。熔煉設(shè)備為沈陽(yáng)鑄造研究所生產(chǎn)的

43、gw系列中頻感應(yīng)爐，型號(hào)為kgps-100kw，如圖2-1、圖2-2。該晶閘管中頻電源是一種將50赫茲工頻交流電變?yōu)轭l率高于工頻，低于10000赫茲中頻交流電的靜止式變頻裝置，它可為無(wú)心感應(yīng)爐供電。用于金屬的透熱、淬火、釬焊等各種感應(yīng)加熱或者涂敷、清洗等需要低溫的場(chǎng)合。本實(shí)驗(yàn)室主要用其進(jìn)行熔煉金屬。 圖2-1 中頻感應(yīng)電源 圖2-2 合金熔煉爐2.1.4 熔煉工藝過(guò)程（1）根據(jù)配料預(yù)算每一種合金元素的燒損量及所應(yīng)補(bǔ)加的量。（2）裝料：檢查準(zhǔn)備石墨坩堝，先在爐底放入適當(dāng)?shù)男K爐料，然后在放大塊的爐料，直到放滿。在裝料時(shí)爐子底部要密實(shí)，上部要松散，以防損壞爐襯。（3）熔化：先送電通水，注意冷卻水的

44、溫度不應(yīng)超過(guò)45，加料時(shí)要防止鋼水飛濺，往鋼水中加的爐料要預(yù)熱。（4）造渣：在第一批爐料全熔后可視具體情況和要求及時(shí)造渣，以便將鋼水覆蓋，嚴(yán)防鋼水吸氣和氧化。本實(shí)驗(yàn)爐為堿性爐襯，用石灰和螢石混配成溶劑造渣。（5）精煉及脫氧：當(dāng)鋼液溫度達(dá)到1600左右時(shí)，放入鋁，對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧處理。鋁的質(zhì)量不能超過(guò)鋼水質(zhì)量的0.15%。（6）出鋼：當(dāng)爐內(nèi)溫度適合，成分合格，脫氧情況正常，方能決定出鋼。（7）出鋼后要及時(shí)檢查爐襯浸蝕情況，當(dāng)確認(rèn)無(wú)問(wèn)題時(shí)方可繼續(xù)使用。 2.2 熱處理工藝 2.2.1鍛造工藝 鍛造設(shè)備采用h61-500型金屬液壓機(jī)。主要性能及工藝參數(shù)：公稱(chēng)壓力：05000kn；主活塞最大空載下行速度

45、：120mm/s；滑塊壓制速度：516mm/s；頂出力范圍：01000kn；壓力范圍：026mpa；將試塊放入高溫箱試爐內(nèi)，隨爐升溫，加熱速度1000/1.5h，加熱溫度到1150保溫10分鐘，方可出爐。始鍛溫度1130，終鍛溫度大于900， 砂緩冷。2.2.2 鍛材等溫退火圖2-3 鍛件的等溫退火工藝將鍛后試塊加熱溫度850，保溫時(shí)間2小時(shí)，爐冷，等溫溫度680，保溫時(shí)間4小時(shí)，緩冷。 2.2.3 淬火、回火工藝本文擬定用箱式爐加熱溫度500保溫2h后，升溫到1150，用油淬火。然后在630、650、680下回火，回火時(shí)間為1.5 h。回火后的試塊加工成力學(xué)性能測(cè)試試樣后，再磨削加工至規(guī)定尺

46、寸。準(zhǔn)備進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。 2.3力學(xué)性能測(cè)試2.3.1 拉伸性能在經(jīng)過(guò)淬火、回火后的不同試塊的相同位置加工成所需試樣。采用機(jī)械工業(yè)部長(zhǎng)春實(shí)驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的css-55100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.3mm/s。試驗(yàn)中所用試樣如圖2-4所示。圖2-4 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣簡(jiǎn)圖2.3.2 硬度測(cè)量采用 hrc150 型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，為了防止脫碳層的影響，將熱處理后的試樣在平面磨床上磨去 1mm 以上，在試樣上測(cè) 5 個(gè)點(diǎn)硬度，取平均值。2.4 組織與成分分析選取具有典型力學(xué)性能的試片制備金相試樣，并用xjl02型立式金相顯微鏡、日本島津公司產(chǎn)的hitachis-3400n s

47、canning electron microscope掃描電子顯微鏡(sem)進(jìn)行試樣組織形貌觀察、能譜分析。掃描電鏡試樣的制備：在拉伸試片上截取高10mm左右的試樣，經(jīng)研磨拋光后用2%的硝酸酒精腐蝕35s，并用酒精沖洗干凈。第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 鍛件退火后組織分析該鋼鑄態(tài)組織是通過(guò)中頻電爐冶煉而成的，該模具鋼由于合金元素含量較高，在凝固時(shí)選擇結(jié)晶，高熔點(diǎn)的碳化物先形核結(jié)晶，形成碳與合金元素的富集區(qū)，因此，該鋼原始組織碳化物分布不均勻，大小不一，形態(tài)多樣，有大量的偏析存在，在晶界附近，特別是在晶界的交接處有碳化物和夾雜物偏聚，同時(shí)鑄錠本身在凝固過(guò)程中存在著非平衡凝固的粗大結(jié)晶組織。，這

48、種鑄態(tài)組織既不利于強(qiáng)度的提高也不利于韌性的改善，而且在隨后的使用過(guò)程中會(huì)成為制約模具壽命的關(guān)鍵因素。因此，需要對(duì)鑄鋼件進(jìn)行鍛造來(lái)改善其組織。如圖3-1為該模具鋼鍛后退火的微觀組織。 圖3-1 試樣鍛后退火的顯微組織（sem掃描）從中可以看出（圖3-1），該模具鋼經(jīng)過(guò)鍛造退火工藝后，仍存在部分成分偏析，晶界處仍然有較多的塊狀鐵素體與網(wǎng)狀碳化物，且晶粒比較粗大。這主要是因?yàn)?，成分偏析只能通過(guò)擴(kuò)散來(lái)加以改善，雖然碳原子半徑比較小，容易擴(kuò)散，該鋼中含量較高的mo、nb、v等碳化物形成元素，原子半徑較大，擴(kuò)散速度慢，特別是當(dāng)擴(kuò)散距離較長(zhǎng)，偏聚物比較大時(shí)，需在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱才能達(dá)到改善偏析的目的；而且m

49、o、nb、v都是強(qiáng)碳化物生成元素，并且這些合金碳化物具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在退火工藝較低的加熱溫度下，這些合金碳化物是無(wú)法消除的，所以嚴(yán)重的成分偏析和沿晶碳化物鏈仍然存在。從圖3-2中可以看出，對(duì)試樣晶界處的成分掃描，該處含有cr、mn、v、mo合金元素，其中含mo最多，可以判斷mo在此處形成強(qiáng)化相，該強(qiáng)化相聚集在晶界處，使鋼在晶界處與斷裂，這對(duì)鋼的組織性能產(chǎn)生很不利的影響。說(shuō)明經(jīng)過(guò)退火后成分偏析依然存在。圖3-2 試樣點(diǎn)成分分析3.2 淬火、回火后的組織分析 選擇淬火溫度原則是，使鋼具有良好的淬火組織，同時(shí)保持細(xì)小的晶粒，以保證回火后獲得良好的性能27。對(duì)于該模具鋼來(lái)說(shuō)，因含有較多的碳化物形成元

50、素mo、cr、v、nb，這些元素形成的碳化物在加熱過(guò)程中溶解的程度不同，將對(duì)模具的硬度、耐磨性、熱硬性、熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能影響極大。若淬火溫度低，碳化物沒(méi)有充分溶解，淬火后的硬度不高。隨著淬火溫度的升高，淬火后硬度有所增高。從提高合金元素在奧氏體中的溶解度，以保證淬火時(shí)獲得較高的淬透性，回火時(shí)有良好的回火穩(wěn)定性及回火后具有良好的綜合性能的角度出發(fā)，提高淬火溫度是有利的。但淬火溫度過(guò)高，會(huì)造成ms點(diǎn)升高，淬火后殘余奧氏體量增加，馬氏體也變得粗大，使塑性、韌性下降。根據(jù)不同的材料，不同的性能要求，選用不同的淬火與回火工藝是十分必要的，在這方面前期的模具工作者已經(jīng)作了不少工作可供我們參考。奧氏體

51、化溫度不同，碳化物溶解的數(shù)量和類(lèi)型也不同。當(dāng)奧氏體化溫度為 1000時(shí)，富鉻的碳化物 m23c6和 m7c3已基本溶解，而溫度提高到 1150時(shí)，富mo的碳化物才大體上溶解，vc在1150以上仍然沒(méi)有完全分解?；鼗饡r(shí)特殊碳化物的析出溫度隨合金的種類(lèi)、含量而異。這種碳化物在鋼中呈細(xì)小彌散分布，它的粒度比針狀鉬的碳化物 m2c 還要細(xì)小的多，而且具有最好的動(dòng)力學(xué)高溫穩(wěn)定性，對(duì)抗回火穩(wěn)定性有最好的作用。 3.2.1回火溫度對(duì)鋼組織的影響該模具鋼淬火組織主要是馬氏體和殘余奧氏體。馬氏體和殘余奧氏體在室溫下都處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，馬氏體處于含碳過(guò)飽和狀態(tài)，殘余奧氏體處于過(guò)冷狀態(tài)，它們都趨于向鐵素體加碳化物的穩(wěn)

52、定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。但這種轉(zhuǎn)化需要一定的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件（溫度和時(shí)間），因此，淬火鋼件必須立即回火，以消除或減少火所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止變形或開(kāi)裂，并獲得穩(wěn)定的組織和需要的性能。為了使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，并消除應(yīng)力，以提高模具的使用壽命。另外，硬度和韌性的綜合協(xié)調(diào)是淬、回火鋼熱處理的主要目的。 圖3-3是該模具鋼在經(jīng)過(guò)1150淬火，然后在不同溫度回火后的組織。從圖中的組織可以看出，該模具鋼在630到 680之間回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，淬火態(tài)板條狀馬氏體的組織特征逐漸減弱，但在很大程度上仍然保持著淬火馬氏體的位向和板條形狀。這是由于隨著碳化物在低碳板條馬氏體中形成，小角度板條界面的消除，

53、單位體積馬氏體板條界面面積迅速減少28。剩下的大角度板條界面被早期形成的碳化物釘扎住，因此，淬火馬氏體的板條形態(tài)，盡管發(fā)生了粗化，仍可穩(wěn)定存在到相當(dāng)高的回火溫度。根據(jù)該模具鋼在不同回火溫度范圍發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變，可將整個(gè)回火過(guò)程分為以下三個(gè)有區(qū)別而又互相重疊的階段：（1）馬氏體的分解，即馬氏體基體過(guò)飽的固溶碳析出，形成碳化物的沉淀析出（2）殘余奧氏體的分解（3）碳化物的粗化和球化以及等軸鐵素體晶粒的形成。630回火650回火680回火圖3-3 不同回火溫度對(duì)微觀組織的影響3.2.2 650的回火組織如圖3-4是該模具鋼經(jīng)過(guò)1150淬火（油淬）+650回火后的組織。該模具鋼回火后的組織為板條狀馬氏體

54、，上面分布著未溶的點(diǎn)狀碳化物?？梢钥吹浇M織中析出的大量的細(xì)小彌散相，這些碳化物中的一部分是從母體中析出的二次碳化物（淬火過(guò)程中固溶進(jìn)去的），另一部分是淬火時(shí)未固溶的殘余下來(lái)的一次碳化物，這些析出相具有較高的熱穩(wěn)定性，有利于提高材料的高溫強(qiáng)韌性。speich等對(duì)fe10ni系合金鋼中的合金元素co、ni、mo、cr的作用和二次硬化反應(yīng)的析出行為進(jìn)行了較細(xì)致的工作29，實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)控制鋼的組分、時(shí)效溫度可使其具有較高的韌度，明確指出材料在熱處理過(guò)程中微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為滲碳體轉(zhuǎn)化成細(xì)小彌散的合金碳化物相而達(dá)到高強(qiáng)韌度。圖3-4 1150淬火+650回火后的微觀組織正是由于在回火馬氏體基體上彌散析出的大量

55、細(xì)小尺寸碳化物，才使該鋼在回火后保持高的強(qiáng)度的同時(shí)具有較好的韌性，增強(qiáng)了該鋼的熱疲勞抗回火溫度，當(dāng)溫度達(dá)到650時(shí)，碳化物聚集長(zhǎng)大，部分基體開(kāi)始發(fā)生馬氏體回復(fù)、再結(jié)晶，形成鐵素體晶粒，隨著回火溫度的提高，鐵素體顆粒逐漸的長(zhǎng)大，向等軸狀方向發(fā)展，其內(nèi)部也比較“干凈”，說(shuō)明位錯(cuò)密度已大大降低；同時(shí)，析出的點(diǎn)狀碳化物顆粒由小變大，由沿晶界分布的線狀變成了單個(gè)孤立的大顆粒，相鄰馬氏體板條合并成寬板條形狀，回火組織轉(zhuǎn)為回火屈氏體。馬氏體板條的合并和等軸晶的出現(xiàn)主要是由于碳化物顆粒。圖3-5 回火后成分分析圖3-5說(shuō)明回火后合金元素均勻分布到基體內(nèi)。在這種溫度下回火后，可使合金元素所形成的強(qiáng)化相均勻分布在機(jī)體內(nèi)，而且可獲得細(xì)小均勻的球狀碳化物，該組織基體具有較高的強(qiáng)度和硬度等綜合性能。3.3 力學(xué)性能分析退火態(tài)及淬、回火態(tài)