3模具材料的选择及优化研究

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1、3模具材料的选择及优化研究3.1合金元素对模具材料的影响及确定3.1.1碳元素的影响及确定钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度。对于模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化，另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除了少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。由此可见，钢中的碳含量不能太低。铜合金压铸模具钢应该具有较高的韧性，故其含碳量应保持在形成少量合金碳化物的水平上。另外重要的是

2、，保持相对较低的含碳量是使钢的Ms点取于相对较高的温度水平，使该钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余A和残留均匀分布的合金碳化物组织，并经回火后获得均匀的回火马氏体组织。避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。这些少量残余奥氏体在淬火以后的两次或三次回火过程中应予以转变完全。众所周知，钢中增加碳含量将提高钢的强度，对热作模具钢而言，会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，但会导致其韧度的降低。通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为0.4%。为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则:在保持强度前提下要尽可能降低钢的

3、含碳量，有资料己提出:在钢抗拉强度达1550MPa以上时，含碳量在0.3%-0.4%为宜。因此，我们将模具钢的含碳量选择在0.3十0.4%之间。3.1.2铬元素的影响及确定铬是合金工具钢中最普遍含有的和价廉的合金元素。在美国H型热作模具钢中含铬量在2%一12%范围。在我国合金工具钢(GB/T1299)的37个钢号中，除2种外都含有Cr。铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，在压铸模具钢中含Cr和Si会使氧化膜致密从而提高钢的抗氧化性。再则以Cr对碳锰钢回火性能的作用来分析，加入<

4、6%Cr对提高钢回火抗力是有利的，但未能构成二次硬化:当含Cr>6%的钢淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应。故人们对热作钢模具钢一般选5%铬的加入量。模具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合，按含铬量高低以(FeCr)sC、(FeCr)vC和MC形式存在，从而来影响钢的性能。另外还要考虑合金元素的交互作用影响，如当钢中含铬、铝和钒时，Cr>3%时，Cr能阻止VC的生成和推迟MoZC的共格析出，VC和MoZC是提高钢材的高温强度和抗回火性的强化相，这种交互作用可以提高钢的耐热变形性能。铬溶入钢奥氏体中增加钢的淬透性。Cr、Mn

5、、MO、Si、Ni都与Cr一样是增加钢淬透性的合金元素。3.1.3锰元素的影响及确定几乎所有商业用钢都含有一定数量的锰。钢中含有锰可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与硫有较大的亲合力，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H21一26和H41一43的含锰量均在(0.15一0.40)%范围内，H10一19的含锰量高于该范围。锰具有固溶强化作用，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西南科技大学毕业设计10不及碳、磷和硅，但

6、其对钢的延展性几乎没有影响。在铁素体一珠光体型钢中锰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。3.1.4钼元素的影响Mo溶于Fe中具固溶强化的作用，Mo溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。需要说明的是，Mo明显推迟珠光体转变，但对贝氏体转变的影响不大，具体表现为:在钢中只要加入0.25-1%的Mo量，便足以使珠光体转变和贝氏体转变的区域分开，(Cr>2%和V>0.5%也有相类似的作用)。Mo会提高钢的脱碳氧化敏感性，一般认为含3%Mo是使钢发生脱碳敏感的临界加入量。对含(2-

7、3)%Mo的钢，为了提高钢的淬透性，常常还得加入(l-2)%的铬。3.1.5钒元素的影响钒在模具钢中的主要作用是细化钢的晶粒和组织，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应。一般介绍，V加入0.05%可细化晶粒，随加入量增加，细化效果加强。因为即使温度趋近700℃，钒的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，所以钒是有效阻止奥氏体晶粒粗化的元素，也是在高温下服役的钢的重要合金化元素，钒和铝，钨一样溶入基体中提高Fe的自扩散激活能，另外它偏聚在位错线附近形成气团，与位错产生交互作用阻止其滑移，阻止位错网络的重新排列形成胞状亚结构，增加马氏体的回复再结晶抗力，增

8、加回火稳定性。3.2稀土元素对模具材料的影响RE(稀土)一S—C—N—B四元共渗RE(稀土催渗四元共渗可大幅度提高铜合金压铸模型面表层的