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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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合金元素在模具钢材中的作用  

2011-03-06 15:45:49|  分类: 国际制造产业研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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众所周知,占钢总产量80%左右的碳素钢,是基本的工业用钢。它种类齐全,生产简单,价格低廉,通过不同的热处理后,可获得不同的力学性能,因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差,耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且,工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展,对材料提出了更高的要求,因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能,在冶炼时,有选择地向钢液中加入一些合金元素,如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等,这类钢就统称为合金钢。模具钢材是合金钢中的一种。

 

㈠、碳素钢用途的局限性

 

⑴ 淬透性低

 

一般情况下,碳钢淬火要求水冷,它水淬的最大淬透直径为15~20MM,因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时,不能保证性能的均匀性和几何形状不变。

 

⑵ 强度和屈强比较低

 

强度低使工程结构和设备笨重。A3钢的σS≥240MPA,而低合金结构钢16MN的σS≥360MPA。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的σS/σB为0.43,而合金钢35CRNI3MO的σS/σB可达0.74。

 

⑶ 回火稳定性差

 

由于回火稳定性差,碳钢在进行调质处理时,为了保证较高强度而回火温度应低些时,韧性又偏低;为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低,所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。

 

⑷ 不能满足某些特殊性能的要求

 

碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差,不能满足特殊使用要求。

 

为了解决上述问题,在碳钢中特意加入合金元素,以弥补以上不足之处。

 

㈡、合金元素在模具钢材中的作用

 

合金元素在模具钢材中的作用非常复杂,到目前为止对它的认识还很不全面。

 

下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响规律。

 

⒈合金元素与铁和碳的作用

 

合金元素加入钢中,主要与铁形成固溶体,或者与碳形成碳化物,少量存在于夹杂物(如

 

氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等)中,在高合金钢中还可能形成金属间化合物。

 

⑴ 溶入铁中

 

几乎所有合金元素(除PB外)都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对α?FE或γ?FE的作用,可将它们分为两大类。

 

  ①扩大γ相区元素亦称奥氏体稳定化元素,主要是MN、NI、CO、C、N、CU等。

 

它们使相图中N点下降,G点上升,从而扩大γ相的存在范围。其中NI、MN等元素加入到一定量后,可使G点降到室温以下,使α相完全消失,它们称为完全扩大γ区的元素。另外一些元素如C、N和CU等,虽扩大γ相区,但不能将其扩大到室温,所以它们称为部分扩大γ区的元素。

 

  ②缩小γ相区元素亦称F稳定化元素,主要有CR、MO、W、V、TI、AL、SI、B、NB、ZR等。它们使G点上升,N点下降(CR例外,CR含量小于7%时,G点下降;大于7%后G点迅速上升),从而缩小γ相存在范围,使F稳定区域扩大。其中CR、MO、W、V、TI、AL、SI等元素超过一定含量时,G点与N点重合,使γ相区被封闭,这时合金在固态范围内一直处于单相α相状态,它们称为完全封闭γ区的元素。另外一些元素,如B、NB、ZR等,虽然也使γ相区温度范围缩小,但不能使其封闭,称为部分缩小γ区的元素。

 

上述元素中,只有C、N、B与铁形成间隙固溶体,其它均与铁形成置换固溶体。

 

⑵ 形成碳化物

 

合金元素按其与钢中碳亲合力大小,分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。

 

  ① 常用非碳化物形成元素有:NI、CO、CU、AL、SI、N、B等。它们不与碳形成化合物,除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外,基本上都溶于F和A中。

 

  ② 常用碳化物形成元素有:MN、CR、MO、W、V、TI、NB、ZR等(按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列)。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。MN与碳的亲合力较弱,少部分溶于渗碳体中,大部分溶于F或A中。与碳的亲和力较强的CR、MO、W等,含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体;含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素V、TI、NB、ZR等,几乎都是形成特殊碳化物。此外,总还有一部分强碳化物形成元素会溶于F或A中。

 

合金渗碳体是部分铁原子被碳化物形成元素置换后的渗碳体,如(FE,CR)3C、(FE,MN)3C等,其晶体结构与渗碳体相同,但比渗碳体略稳定些,硬度也略高些,这对提高钢的耐磨性更有利。

 

合金碳化物MN3C、CR7C3、CR23C6、FE3W3C等,比合金渗碳体的稳定性更高,而特殊碳化物MO2C、W2C、VC、TIC等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物,其熔点和硬度也愈高,加热时也愈难溶于奥氏体中,因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。

 

⒉合金元素对铁碳相图的影响

 

合金元素对铁碳相图的影响,与对纯铁的影响类似,但更复杂一些、影响主要分两方面:

 

⑴对A和F存在范围的影响

 

  ①扩大γ相区元素均扩大铁碳相图中A存在的区域,其中完全扩大γ区的元素NI或MN的含量较多时,可使钢在室温下得到单相A组织,例如1CR18NI9高镍A不锈钢和ZGMN13高锰耐磨钢等。

 

  ②缩小γ相区元素均缩小铁碳相图中A存在的区域,其中完全封闭γ区的元素(例如CR、TI、SI等)超过一定含量后,可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相F组织,例如1CR17TI高铬F不锈钢等。

 

⑵对铁碳相图临界点(S点和E点)的影响

 

  ① 扩大γ相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。

 

  ② 缩小γ相区的元素则使其上升并都使共析反应在二个温度范围内进行。合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低;共晶点也有类似的规律,尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。S点及E点的左移,使合金钢的平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图来分析)。例如,含0.3%C的3CR2W8V热模具钢已为过共析钢,而碳含量不超过

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