（钢铁冶金专业论文）铸造热锻模具钢热疲劳性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 熟疲劳断裂是铸造热锻模具的主要失效形式之一，是限制模具寿命的重要因素。 因此，改善铸造模具钢的热疲劳性能对于提高热锻模具的使用寿命，加速其在国内 的推广与应用具有重要的实际意义。本文采用自约束热疲劳试验法，研究了主要合 金元素c 、c r 、m o 、v 及微量元素m 、n b 与回火温度对铸造热锻模具钢热疲劳性能的 影响规律，并分析了铸造热锻模具钢的热疲劳特性及铸造模具钢热疲劳裂纹的萌生和 扩展机理，为铸造热锻模具钢的合金成分优化及热处理工艺的制定提供了理论依据。 研究结果表明：合金元素对铸造热锻模具钢的热疲劳性能有显著影响，适当的c 、 c r 、m o 、v 以及加入微量元素t i 、n b 可明显提高铸造模具钢的热疲劳抗力。0 3 c 铸钢的热疲劳抗力最高，碳含量过高会恶化热疲劳性能。4 4 0 回火时，c r 、m o 溶 入a - f e 基体可提高铸钢的热强性；但在6 0 0 回火时，钢中铬含量过多会导致粗大的 c r 2 3 c 6 析出，过多的钼促使m 0 6 c 呈链状沿晶界析出，均显著降低铸造模具钢的热疲 劳抗力。无论4 4 0 c 回火还是6 0 0 c 回火，v c 为3 0 的铸钢中均析出细小弥散的v c ， 其热疲劳性能最好。研究发现：铸造热锻模具钢的热疲劳属于高周热疲劳，其热疲 劳抗力主要取决于铸钢的热强性和热稳定性。铸造模具钢的热疲劳裂纹主要在碳化 物与基体的交界处和晶界处萌生，热疲劳裂纹的扩展路径既有沿晶扩展，也有穿晶 扩展。新型铸造热锻模具钢经合金成分优化，其热疲劳抗力明显高于国产h 1 3 锻钢， 与8 4 0 7 钢热疲劳性能相近。 关键词：铸钢，热锻模具，热疲劳性能，合金元素，裂纹 江苏大学硕士学位论文 t h e r m a lf a t i g u ei so n eo ft h em a i nf a i l u r ep a t t e r n sf o rt h ec a s th o t w o r k i n gd i e sa n d a l li m p o r t a n tf a c t o rt ol i m i tt h el i f eo fh o t - w o r k i n gd i e s t h u si ti sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v i n gt h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo ft h ec a s td i es t e e l s ，i no r d e rt or a i s et h el i f eo fd i e s a n dw i d e nt h ea p p l i c a t i o no ft h ec a s th o t - w o kd i e s b yu s i n gt h es e l f - r e s t r i c t i n gt e s t m e t h o d ，t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ec a s td i es t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s o f cc r , m o ，va n da d d i t i o no f m i c r o e l e m e n t s 豇n bu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r i n gt e m p e r a t u r e w e r es t u d i e d t h et h e r m a lf a t i g u ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec a s th o t - w o r kd i es t e e la n dt h e i n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s mo ft h e r m a lf a t i g u ec r a c k sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a l l o ft h e s ep r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o ra l l o yc o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o na n dh e a tt r e a t m e n t p r o c e s so ft h ec a s th o t - w o r kd i es t e e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h ec a s th o t - w o r kd i es t e e li s m a r k e d l yi n f l u e n c e db ya l l o ye l e m e n t s t h eo p t i m a lc o m p o s i t i o n so fc ，c r , m o ，va n d a d d i t i o no fnn bc a l li m p r o v et h et h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo ft h ec a s ts t e e lo b v i o u s l y t h ec a s ts t e e lc o n t a i n i n g3 cp o s s e s s e st h eh i g h e s tr e s i s t a n c et ot h e r m a lf a t i g u e e x t r a h i 曲cc o n t e n tw o u l dd e t e r i o r a t et h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t y a st e m p e r i n ga t4 4 0 c ，c r , m oi n 吐- f em a t r i xc a ni n c r e a s eh e a ts t a b i l i t yo ft h ee a s ts t e e l s ，b u ta 8t e m p e r i n ga t6 0 0 c ， e x c e s s i v ec r , m oi ns t e e lw o u l dr e s u l ti np r e c i p i t a t i o no fc r 2 3 c 6a n dm 0 6 c i nt h ec a s e s ，t h e t h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo ft h ec a s td i es t e e ls h o u l db er e d u c e ds u b s t a n t i a l l y w h e t h e r t e m p e r i n ga t 4 4 0 co ra t6 0 0 6 c ，t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h ec a s ts t e e lw i t h v c = 3 0i st h eb e s tb e c a u s go ft h ed i s p e r s e dp r e c i p i t a t i o no fv ci nt h et e m p e r e ds t r u c t u r e ni sf o u n dt h a tt h et h e r m a lf a t i g u eo ft h ec a s th o t - w o r kd i es t e e li sh i g h - c y c l et h e r m a l f a t i g u e t h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c ei sh e a ts t r e n g t ha n dt h e r m a l s t a b i l i t y t h et h e r m a lf a t i g u ec r a c k so ft h ec a s td i es t e e li n i t i a t ea tt h eb o u n d a r yb e t w e e n c a r b i d e sa n dm a t r i xo ra tt h eg r a i nb o u n d a r y t h ep r o p a g a t i o np a t h so ft h et h e r m a lf a t i g u e c r a c k sa r ei n t e r g r a n u l a ro rt r a n s g r a n u l a r a f t e rt h eo p t i m i z a t i o no fa l l o yc o m p o s i t i o n , t h e t h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c eo ft h en e we a s th o t - w o r kd i es t e e li so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a t o fh 1 3s t e e l ，a n dn e a rt ot h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo f8 4 0 7s t e e l k e yw o r d s ：c a s ts t e e l ，h o t - w o r kd i e ，t h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t y , a l l o ye l e m e n t , c r a c k s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解学校有关保留、使用学位论文的规定， | 司意学校保留并向国家有关部门或机构送交给文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密、d 。 学位论文作者签名：力躺 d 海弓月；l 口 指导教师签名：易和惑奔 。再；月；l 曰 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：与d 旨 日期： d 年月；j 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 在工业生产中，约7 0 的机械零件是用模具制造的，模具的寿命决定了设备的 生产率及产品的成本，因此提高模具寿命，对于产品成本的降低、生产率和经济效 益的提高有重要的作用。 热锻模具在高速发展的汽车、机械、农机等重要支柱产业中占有举足轻重的地 位，需求量与日俱增。我国每年消耗热锻模具钢数万吨，价值数亿元【1 1 。因此提高热 锻模具的寿命，降低其制造成本，简化生产工序，缩短制造周期以及废弃模具的再 生回用是当前工业生产中急需解决的重大技术难题，具有重要的经济意义。 热疲劳是热作模具最普遍的失效形式之一，是限制热作模具使用寿命的主要因 素。据统计【2 l ，超过8 0 的热作模具失效都是由于热裂导致裂纹扩展引起的，因此 要提高模具的使用寿命，必须进一步提高热作模具钢的热疲劳抗力。 采用钢坯一锻造一加工获得模具一直是广泛应用的传统制造模具的方法。用该 方法制造的模具具有质量稳定、精度高等优点，但材料利用率低、加工工序多、生 产周期长、且制作成本高。铸造热锻模具利用液态金属直接成型，材料利用率高， 机械加工量少，尤其适用于曲面复杂，难以切削加工的模具，并且废弃模具可重熔 再生回用，具有很大的经济效益，逐渐成为一种新的模具制造方法，在世界主要工 业发达国家中已得到应用f 3 l 。 但铸造热锻模具至今未能得到广泛的推广应用，其主要原因是铸造模具经常出 现早期断裂失效【4 1 。由于铸造热锻模具所采用的材料多是传统的锻造模具钢，流动性 差，铸造组织致密性低，从而导致铸造模具强韧性较差，热稳定性降低，在反复冷 热疲劳作用下，容易萌生热疲劳裂纹，造成铸造热锻模具早期断裂失效。因此改善 铸造热锻模具钢的热裂抗力，提高模具使用寿命，是推广铸造热锻模具的关键所在， 具有重要的实际意义。 本文以新型c r - m o - v 系铸造热锻模具钢为研究对象，探讨了不同合金元素对铸造 热锻模具钢热疲劳性能的影响，以此优化铸造热锻模具钢的合金成分，并通过不同的 热处理工艺来改善铸造热锻模具钢的强韧性和热稳定性，提高其热疲劳性能，使其 能进一步满足热锻模具的使用要求，从而延长铸造热锻模具的使用寿命，加速铸造 热锻模具在国内的推广与应用。 江苏大学硕士学位论文 1 2 铸造热锻模具的特点 铸造模具制造技术是一种新兴的模具生产方法。长期的实践证明，铸造模具与 传统机加工模具相比，具有多方面的优越性。 l 、缩短制造周期，降低模具成本 图1 1 是传统机加工模具和铸造模具的制作工艺流程图。 i 合金熔炼l 上 浇注成铸锭 上 轧制或锻造 0 l 退火处理i 上 i 机加el j 去应力退火 上 最终热处理 l 精磨至要求尺寸 上 l 表面处理i a 传统机加工模具制造技术b 精密铸造模具制造技术 图1 - 1传统方法与铸造方法模具制造技术的二i ：艺流枵图 f i g 1 - 1 t r a d i t i o n a ld i e m a k i n gt e c h n o l o g ya n dc a s td i e - m a k i n gt e c h n o l o g y 由上图可以看出，用传统方法制造模具需要大量机加工工时，模具费用集中在 机加工工序上，所以制造模具成本很高。而精密铸造模具制造技术可使模具直接成 型，机加工量大大减少，而且也省去了轧制或锻造工序，因而模具制造周期大大缩 短，制造成本也相应降低。此外，传统机加工模具在制造过程中，由于锻造或切削 而使得相当数量的模具钢成为料头或切屑，降低模具钢的利用率，增加模具成本。 而铸造模具只需增加必要的浇道、浇口及冒口，材料耗费低于机加工模具。另外， 对于不易热锻的热作模具钢，如一些新型热锻模具钢种( 3 c r m o w 、仆f i 等) ，虽然具 有良好的使用性能，但其锻造工艺性能差，废品率高达6 0 左右1 5 1 。因此把锻造工艺 2 江苏大学硕士学位论文 改为铸造工艺，大大提高了产品的成品率，降低模具的加工成本。表1 - l 闸是传统机 加工模具( m ) 与铸造模具( c ) 的成本对比。 表1 - 1 传统机加 模具与铸造模具的成本对比( 1 0 0 0 0 日元) t a b 1 1 c o m p a r i s o n o f t h e 0 0 6 t b e t w e e n t r a d i t i o n a ld i e a n d c a s t d i e 由表1 - 1 可以看出，铸造模具成本比传统机加工模具成本降低了1 0 2 0 。对于 多批量生产来说，铸型可多次使用，因而模具成本中还要减去铸型成本，进一步降 低了铸造模具成本。 尽管铸造模具需制备铸型，但由于模具钢不需要轧制或锻造，同时大大减少了 机加工量，因此仍然节省了工时，缩短了模具制作周期。尤其对于昂贵精密机床， 铸造模具生产周期比通常要短的多。前苏联铸造热锻模的实践表明川，采用铸造方法 生产锻模可将制造工作量减少5 0 8 0 。另外，铸造模具制造技术机加工量的减少， 降低了模具生产对机械加工车间的依赖，这也是其制造周期缩短的原因之一。 2 、材料利用率高 在传统机加工模具制造过程中，约有3 5 - 6 0 的模具钢变为切屑。采用铸造模具 制造技术，省去了大量机加工以及锻造加热时原材料的浪费与烧损，可使材料消耗 减少3 1 0 倍。机加工模具的材料利用率一般为5 0 。7 0 ，与之相比，铸造模具用钢 大大减少，材料利用率提高到8 5 9 5 f f i 。另外，应用失效的废弃模具可通过重熔回 收利用，可节约大量的c r 、m o 、n i 等贵重合金资源。 3 、成型性好 铸造模具可按设计者的构思成型，具有合理的外形和内部轮廓，形状复杂且应 力集中不显著，特别是当模具形状复杂、曲线多变、型腔较深礴只有难以机加工的 沟槽时，铸造模具制造技术的优越性尤为突出，既可节约大量的材料费和机加工费， 还可以大大缩短整个制模周期，降低生产成本，具有显著的经济效益。 4 、改善模具性能 铸造模具性能优于机加工模具的突出表现为抗热裂性能较商，铸造模具不易出 3 江苏大学硕士学位论文 现热疲劳裂纹，即使有了裂纹，裂纹扩展速率也较为缓慢，使用寿命较长。而机加 工模具表面一旦有了疲劳裂纹将迅速扩展，而导致模具很快报废门。另外，传统机加 工模具制造技术多采用轧制或锻造的模具钢，其力学性能各向异性较为显著，因此 在许多模具设计中往往要考虑到模具材料在各个方向的力学性能，使设计工作变的 复杂，与之相比，铸造模具的各向同性就显示了其优越性。 5 、选材自由度大 与传统机加工模具相比，铸造模具的选材自由度更大，基本上不受材料加工性 能( 切削性等) 的限制，可选用强韧性更好的材料作为模具材料。铸造模具可根据 不同的使用工况和性能要求，灵活的调整模具材料的化学成分，以改善模具钢的各 种性能，充分发挥铸造模具制造技术在选材自由度上的优势。例如，在一些钢中加 入合金元素和稀土元素进行微合金化，可促进组织细化，提高模具钢的强韧性、抗 回火稳定性、耐磨性和抗热疲劳性能，从而提高铸造模具的使用寿命。 尽管铸造热锻模具有许多显著的优点和广阔的发展前景，但从目前情况来看， 铸造热锻模具的发展相对缓慢，应用也不广泛，其原因有以下几个方面： l 、铸造模具的精度不高 由于铸造模具制造技术尚不过关，铸件的表面脱碳、型腔的变形等使铸造模具 的尺寸精度、表面光洁度均达不到要求，影响了铸造热锻模具的推广使用。另外， 简单采用传统锻造模具钢制造铸造模具，由于多数锻造模具钢的铸造性能较差，从 而严重影晌了铸造模具的精度。 2 、铸造模具的使用寿命不稳定 铸造模具钢未经过轧制或锻造，在铸造过程中易形成气孔、砂眼、缩松和夹杂 等铸造缺陷，有时还会产生成分偏析、组织不均匀等现象，导致其力学性能，特别 是韧性普遍低于锻造模具钢，因而铸造模具在使用过程中易因韧性不足引起模具的 脆性断裂。此外，铸造模具钢的热处理工艺不够完善也是导致模具早期断裂的原因 之一，如回火不充分，内应力过大等。尽管一些资料表明，铸造模具的使用寿命接 近甚至高于传统锻造模具，但从总的使用情况来看，铸造模具的使用寿命很不稳定， 不少模具常囡脆性断裂而导致模具过早报废。 3 、铸造模具的热疲劳抗力尚待提高 以前使用的铸造热锻模具钢大多采用原锻造模具钢的化学成分，其铸造性能差， 并且铸态和锻态金属性能差异较大，所以铸造模具钢不能获得最佳的使用性能。目前 国内铸造热锻模具寿命不商，主要原因就是模具钢的热疲劳抗力较低，模具在使用 过程中，表面会萌生热疲劳裂纹，造成铸造模具的早期断裂失效。因此，可通过改 4 江苏大学硕士学位论文 变铸造热锻模具钢的化学成分或微合金化，来改善铸造热锻具钢的抗热疲劳性和热 稳定性，从而提高铸造模具的使用寿命。 如上所述，要使铸造热锻模具得到广泛的推广应用，需要广大科技工作者继续 努力，逐步解决以上问题，开发出性能更好，使用寿命更长铸造热锻模具钢。 1 3 铸造热锻模具钢的研究与发展 1 3 1 铸造热锻模具钢的性能要求 1 、铸造模具钢的铸造性能 铸造模具形状复杂且表面质量要求较高，因此要求模具钢具有良好的铸造性能， 以保证获得优质的铸造模具。然而对于常用的锻造模具钢而言，其铸造性能低，从 长期实践效果来看，传统锻钢所浇铸的模具质量普遍较差，很难广泛推广使用。因 此提高铸造模具使用寿命应首先需要模具钢好的铸造性能。 2 、铸造模具钢的力学性能 热锻模具主要用在高温状态下金属的热压力加工。模具型腔在服役过程中承受 了巨大的锻锤冲击力和坯料的静压力，这要求铸造模具钢在高温条件下仍能保持一 定的强度和硬度，在韧性方面，不需要追求过高的冲击韧性，铸造热锻模具应以多 次冲击抗力为韧性指标，即在一定的塑性基础上要求更高的强度【4 1 。 在室温下，铸造模具钢和锻造模具钢的屈服强度几乎相等，但铸钢的延伸率和 断面收缩率明显低于锻钢，如表1 2 所示闱。但是铸造模具钢中存在一个明显的屈服 表1 - 2 铸造模具钢与锻造模具钢力学性能比较 t a b 1 - 2 c o m p a r i s o no f t h ep m p e a i e sb c t w c c nc a s ts t e e l sa n df o r g m gs t e e l s 点，这表明铸钢有一定的塑性。在高温条件下，比如，铸造h 1 3 钢和锻造h 1 3 钢在 6 0 0 c 时，其屈服强度和抗拉强度基本上相同，铸造h 1 3 钢塑性稍微低一些。而在6 5 0 7 5 0 1 2 时，铸造模具钢的抗拉强度和屈服强度已经领先，其延伸率和断面收缩率也接 近锻造模具钢用。铸钢在压力载荷下的弹性极限要比锻钢高2 8 0 - 4 2 0 m p a 7 1 。虽然铸 5 江苏大学硕士学位论文 造模具钢的冲击韧性低于锻造模具钢，但生产实践表明，热锻模具硬度在h r c 3 5 , - 4 2 时，冲击韧性口。不小于2 0 j e r a 2 时，已经基本能满足实际工况要求例。 铸造热锻模的工况条件要求模具钢有较好的红硬性。将相同成分的铸钢和锻钢 试样热处理到h r c 5 0 ，然后在不同温度下回火1 0 0 小时，空冷至室温测量其硬度。结 果发现，在3 0 0 以上回火后，铸造模具钢的硬度在不同程度上高于锻造模具钢，经 5 4 0 回火( 锻模工作温度) 后，铸钢硬度比锻钢高出h r c 3 2 。有文献指出1 1 0 l ，这 是由于铸钢在凝固过程中，其枝晶问存在合金元素的偏析，有利于提高铸造模具钢 抗回火性。 3 、铸造模具钢的高温耐磨性和热疲劳性能 铸造热锻模具在工作时，由于与高温坯料之间的滑动摩擦，铸造模具的型腔将 发生热软化，产生热磨损失效，因此要求模具要有较高的高温耐磨性。可以通过向铸 造模具钢中加入微量合金元素，细化组织，改善碳化物的形态与分布，来提高铸钢 高温耐磨性能。 热锻模每锻打一次，就要用冷却剂冷却一次。在急速加热和冷却的情况下，模 具表面的热胀冷缩受到心部材料的约束作用，在加热时受压缩热应力、冷却时受拉 伸热应力，若此交变热应力超过模具钢的屈服强度，就会引起往复的塑性变形，导 致疲劳裂纹萌生和扩展。所以铸造热锻模具要保持较高的使用寿命，就要提高模具 钢的热疲劳抗力。 对于具体工作条件下的热锻模具，必须根据其特定的工作特性要求选择模具材 料。根据资料统计，由于选材和热处理不当，导致模具早期失效约占7 0 【1 1 l 。对大 量的热锻模具进行研究之后，结果发现除了因早期脆性断裂、热磨损失效之外，热 疲劳断裂是铸造热锻模具失效的主要原因。因此，应把提高模具钢的热疲劳抗力作 为提高铸造模具寿命的主要着眼点。以前的研究已证明，与锻造模具钢相比，相同 成分、相同热处理后铸造模具钢的热疲劳裂纹萌生较晚，热疲劳裂纹扩展较慢，其 有较好的抗热疲劳性【1 2 1 。但要进一步的提高铸造模具的使用寿命，促进铸造模具的 推广应用，就必须进一步提高模具钢的热疲劳性能。因此，要着重研究铸造热锻模 具钢热疲劳断裂机理，探讨合金成分、热处理工艺、微观组织等对铸造模具钢热疲 劳性能的影响，进而通过优化合金成分设计，改善热处理工艺，获得具有较高热疲 劳抗力和良好综合性能的铸造热锻模具钢。 1 3 2 铸造热锻模具钢的研究现状 到目前为止，铸造热锻模具钢的研究大致经过了三个时期，第一个时期直接采 6 江苏大学硕士学位论文 用已有的锻钢成分来生产铸造模具钢，第二个时期是在原锻钢成分的基础上，加入 一种或多种合金元素，来提高铸造热锻模具钢的各种性能。第三个时期主要以性能 要求为基础，结合铸态金属的性能特点及铸造工艺要求，对铸造热锻模具钢进行全 面的合金成分优化设计，使其更能满足热锻模具的工况要求，具有较好的性能和较 高的使用寿命。表1 3 为国内外研制和采用的铸造热锻模具钢【1 3 】。 1 3 2 1 国外铸造热锻模具钢 在2 0 世纪加年代，前苏联就开始用锻造模具钢来铸造热锻模具，并适量添加 一些孕育剂和变质剂。在诺维克别劳可夫的研究中，铸造锻模毛坯的材料主要 5 c r m n m o 钢去m o 而加，缩小钢的晶粒度及降低过热前的敏感度【1 0 l 。前苏联汽车 厂采用锻造模具钢5 x h m 和3 x 2 b s q b 铸造的热锻模具，使用寿命不够稳定，有时会 因脆性断裂而报废。7 0 年代开始研究用陶瓷型铸造方法来制造热锻模具。到年代， 铸造热锻模具钢已得到较大的发展，前苏联根据本国的资源条件，开发出一系列无 钨的新型铸造模具钢，比如4 x 5 m d p c 、3 x 2 m 2 中、5 x h b 等。并且在一些钢中加入少 量稀有金属或稀土元素进行孕育处理，细化组织，提高了铸造模具钢的耐回火性、 热强性和抗热裂性能【1 4 1 。其中获得工业应用的主要有4 c r 5 m o v s i n i 、2 5 c r s m 0 2 v s i 、 5 c r n i m o a l v 等。前苏联汽车工艺研究所研制的4 x s m d p c h 6 和2 5 x 5 m d p c h 铸造热 锻模具的寿命比传统锻造模具寿命提高2 0 一1 0 0 1 5 】。目前还有两种新钢种 2 c r 5 m o v s i n i b m 和3 c r 3 m 0 2 v s i ，在俄汽车厂进行了工业性试验【1 6 1 。7 0 年代末， 英国利兹大学的p r b e e l 一1 7 1 等人开始采用陶瓷型铸造方法浇注铸造模具，他们把碳 化物加入韧性较好的马氏体时效钢基体中进行强化，取得了较好的实验效果。早期 他们在熔融钢液中加入f r v 和c 粉以形成v c ，来增强铸钢的硬度和耐磨性。但试 验发现，由于v c 的密度较钢液低，容易产生偏聚，因此铸造模具钢的强化效果并 不好。此后通过在钢液中加入f e - n b 、c 、t i ，获得了较为均匀的n b c 颗粒，并且 当n b c 的体积分数大于4 5 时，铸钢中二次枝晶基本消失，所获得的铸造模具钢力 学性能非常好，但是由于铸造马氏体时效钢成本相当高，这一研究成果并没有得到 广泛的推广使用旧。 美国6 0 年代在a s t m a 5 9 7 6 9c a s t t o o ls t e e l 中规定了8 种铸造模具钢，其中就 有四种属于铸造热锻模具钢【1 9 1 。据报道，目前美国通用汽车公司9 0 以上的锻模， 包括普通锻模和高速锻模，都采用陶瓷型方法铸造生产【1 9 1 。日本曾在高碳工具钢( 如 s k 3 钢) 中加入c r 或c r 、m o 、v 元素，既利用高碳钢优异的铸造性能，又加入足 够的合会元素以保证模具钢的机械性能。并开发了s k d 6 1 、s k d l 2 、s k d 3 等铸造 模具钢，通过在这些钢中加入n i ，改善其铸造性能和耐热性瑚l 。此外，日本在火焰 7 江苏大学硕士学位论文 模具钢h m d 、h m d 5 基础上研制出了火焰淬火铸造模具钢i c d 、i c d s 。西德也利 用加v 细化晶粒来开发铸造热锻模具钢，并研究出了x 4 0 c r m o v 5 1 ( 含v 1 o ) 、 x 4 0 c r m o v 5 3 ( 含v 0 9 ) 、x 3 2 c r m o v 3 3 ( 含v 0 5 ) 等钢种，应用于各种热锻模。 表1 - 3 国内外铸造热锻模具钢 t a b 1 3c a s th o t - w o r kd i es t e e l si nt h ew o r l d 1 3 2 2 国内铸造热锻模具钢 我国在5 0 年代开始研究用5 c r m n m o 铸造热锻模具钢来代替5 c r m n m o 锻造热 锻模具钢。铸造模具钢大都是沿用锻钢的化学成分，热处理工艺也几乎与锻钢相同， 由于其铸造性能不好，铸造模具的精度不高，强韧性低，因此铸造模具的寿命没有 提高，应用受到限制。7 0 年代，国内歼始采用陶瓷型方法铸造热锻模，大大缩短了 制模周期，降低了模具成本。但由于铸造模具常因早期脆性断裂而失效，模具使用 寿命不稳定，所以并未得到推广使用 2 。表1 _ 4 是国内早期曾经用过的铸造热锻模 具钢化学成分。 表1 _ 4 我国铸造热锻模具钢化学成分 t a b 1 - 4 c o m p o s i t i o n so ft h ec a s th o t - w o r kd i es t e e li nc h i n a 钢种 cc rwm ov t i n im ns isp 5 c r m n m o c r 缸m o v 4 5 c r 缔弄如阳， 3 5 c r n i 3 m o v 4 c r 3 m 0 2 w v 0 1 9 0 2 7 0 3 3 0 8 3 1 7 1 4 80 2 5 1 5 80 3 6 0 4 50 8 3 o 舳0 4 6 o 5 00 8 0 0 20 0 2 0 0 2o 0 2 o 0 20 0 3 0 0 20 0 2 8 3 ：兮o 蚴蚴! 耋雌 n 盘 叭 0s ! 够驺m 叫叫l l 3铂札弘 o 0 o 0 o 江苏大学硕士学位论文 8 0 年代以后，我国开始了新型铸造热锻模具钢的研究，对铸造热锻模性能和寿 命的提高起到了推动作用。其中上海交通大学成功地为美国g m 、上海大众等多家单 位浇注了曲轴等多副模具【2 2 l 。上海桑塔纳轿车厂通过调整国外h 1 3 钢的成分，成功 铸造了桑塔纳轿车的气缸盒模具，成本仅为进口模具的2 5 1 2 a + 。武汉机械工艺研究 所研究的陶瓷型精密铸造模具的精度已经达到了美国钢铁学会( a i s i ) 用s h o w 法浇 注的铸钢件尺寸精度的标准。其中用4 c r 3 m 0 2 w v 钢制造的吊钩铸造锻模，寿命高 达5 0 0 0 件，比原锻钢5 c r m n m o 加工的锻模寿命提高1 倍。该所还研制了z d m 1 ， z d m 2 ，z 2 等新型铸造热锻模具钢，其中采用z d m - 2 钢铸造的c a l 0 b 汽车前 轴铸造辊锻模，其型腔表面的粗糙度仅为r a l 2 5 p r o - - 6 3 i n n ，型腔不必加工，只需抛 磨即可，机加工工时比锻造模具减少约3 0 0 小时，成功地应用于石油钻探设备的超 高压阀和滑阀座的生产。在相同的使用条件下，其寿命比5 c r n i m o 、3 c r 2 w 8 v 热锻 模具寿命提高5 0 以上【卅。 华东交通大学为了提高铸造热锻模具钢的抗热疲劳性、耐磨性、强韧性以及淬 透性，抗氧化性等，在铸钢碳含量适当的情况下，以s i 、c r 、n i 、m o 、w 、v 等元 素进行合金化，设计出了3 个新钢种，即4 c r 4 m o w v l s i 、3 c r 4 m 0 2 w v s i 、 2 5 c r 4 m o 列 ，v s i ，并将其与4 c r 4 m o 加v v s i 和4 c r s m o v l s i 一起进行了对比研究。试 验结果表明，3 c r 4 m 0 2 w v s i 和2 5 c r 4 m 0 2 w v s i 具有较好的常温和高温机械性能瞄l 。 河南科技大学采用稀土复合变质的方法对铸造热锻模具钢3 c r m o w v n i 进行处理， 研究了变质处理对铸造模具钢力学性能和热疲劳性能的影响，探讨了最佳变质处理 方法。结果表明，在相同热处理条件下，经稀土和稀土铌复合变质处理的铸造模具 钢，其冲击韧性、抗拉强度等力学性能得到了提高，热疲劳性能也得到了改善【“。 吉林大学通过优化合金成分设计、孕育和变质处理、强韧化热处理等方法，开 发出一种新型c r - n i m o 系铸造热锻模具钢，其主要成分( 帆) 为：c0 1 o 5 ， c r1 0 5 0 ，m o0 3 2 0 ，n i0 5 2 0 ，v0 3 1 0 。该钢的淬火组织为板条马氏体 和贝氏体复相组织，具有较好的强韧性和热稳定性。在回火过程有细小的v 4 c 3 、 m o z c 弥散析出，强化了基体。并通过向铸造热锻模具钢中加入微合金化元素n b 、 t i 、r e 、c a 等细化晶粒，改善夹杂物的形态及分布。试验结果表明，该铸造模具钢 经微合金化处理后强度及硬度略有提高，冲击韧性、延伸率、断面收缩率提高一倍 左右，断裂韧性和抗热疲劳性能也有明显改善1 2 6 - 2 8 1 。 9 江苏大学硕士学位论文 1 4 热疲劳研究概况 1 4 1 热疲劳研究进展 热疲劳研究己有相当长的历史，最早可追溯到十九世纪的三十年代。在1 8 3 8 年， t m c d u h a m e l 研究了物体在均匀加热时的热应力，并给出了计算方程式。但这一研 究很不完善，直到1 8 9 4 年，w m k e l m a n 和s c h o t t 在德国研究陶瓷材料的热冲击时才 将热裂和热应力联系在一起。1 8 9 2 年，美国的h o r r e s t a n d 和e v e r h a i t 研究了快速冷 却条件下玻璃的热冲击问题。德国的b o l l e n r a t h 和他的同事们最早研究了延性材料的 热冲击问题，并首次提出金属疲劳的概念。1 9 5 3 1 9 5 4 年lf c o f f m 和s s m a n s o l l 相 继独立发表了c o f f i n m a n s o n 公式嗍： a s 子( 2 n ，) c - s ， ( 1 - 1 ) 二 式中：ae 。为塑性应变幅，n ，为材料断裂循环周次，e ，为静拉伸断裂应变，c 为材料 常数。这一公式为热疲劳的研究奠定了基础，使其由定性研究进入定量研究阶段。 1 9 7 9 年s m a i m 和l a n o s t r o m 运用平面应力的h o o k e 定律，从理论上解释了 热裂机理，指出材料表面的塑性应变为【3 0 1 ： 8 p - a ( t ：枷一半咿掣吼 ( 1 - 2 ) 式中：a 为平均热膨胀系数，t l 、t 2 分别为材料表面的最低温度和最高温度，y l 、矿2 为最低温度和最高温度时的泊松比，o 、o2 为最低温度和最高温度时材料的屈服强 度，e l 、e 2 为最低温度和最高温度时材料的弹性模量。从公式可以看出，影响塑性 应变的关键是热循环过程中的温差以及在最低、最高温度下材料的屈服强度，即保 持较高的高温强度。当然热膨胀、弹性模量和泊松比也比较重要，但它们几乎不受 合金元素和热处理的影响。 近二十年来，由于工业技术进步的需要，热疲劳的研究得到了更蓬勃的发展。 美、日、欧各国相继报道了热疲劳、热机械疲劳的研究成果1 3 1 - 3 0 。人们对热疲劳的 认识和研究已经逐步深入，但由于其涉及温度、蠕变、应力和高温氧化等复杂因素， 因此对热疲劳机理的研究还欠深入。目前，国内外热疲劳研究i f 向定量研究的纵深 发展。 我国于二十世纪五、六十年代开展对高温高周疲劳和热疲劳研究，在七十年代 后期又开展了高温低周疲劳、时间相关疲劳、蠕变裂纹扩展等方面的研究p 7 l 。近年 来，我国对热疲劳、热机械疲劳的研究也日益深入，并从1 9 8 4 年起开始召开全国热 江苏大学硕士学位论文 疲劳学术会议，深入研究了热疲劳和高温热机械疲劳机理。钢铁研究总院、华中科 技大学、上海大学和吉林工业大学等对热作模具钢的热疲劳性能也做了较多的研究 工作。 1 4 2 热疲劳影响因素 影响热作模具钢热疲劳性能的因素有很多，主要有以下几个方面： 1 、化学成分的影响 元素对热疲劳性能的影响取决于其存在状态。碳与合金元素形成碳化物的类型、 尺寸、形状、数量以及分布状态与热作模具钢的热稳定性和热疲劳抗力密切相关。 有人对含碳量分别为0 4 2 和0 2 7 ，而其它合金元素含量几乎完全相同的h 1 3 钢的热疲劳性能差异进行了研列3 8 l 。结果表明，当含碳量降低时，共晶碳化物的数 量和尺寸相应减少，钢的冲击韧性、断裂韧性以及断面收缩率等塑性指标都相应增 大，加上含碳量低有延缓因m n s 剪切断裂后脱落而产生微孔聚集的作用，从而进一 步改进塑性和断裂韧性。另外，含碳量较低时，淬火组织中固溶的合金元素会多一 些，使其室温和高温强度相应提高。当钢中含碳量较高时，组织中会出现富钒的共 晶碳化物，这些硬而脆的块状碳化物镶嵌在基体中，破坏了基体的连续性。当加热 受力变形时，这些硬质相变形困难，不能与基体相互协调，在硬质相与基体交界处产 生很大的应力，从而使硬质相颗粒与基体脱离，产生微裂纹，从而对热疲劳抗力不利。 因此适当降低钢的含碳量以减少断裂源一共晶碳化物，有助于改善其热疲劳性能。 根据资料统计表明，人们对热疲劳过程中合金元素影响的研究并不系统。总的 来说，c r 、m o 、v 、t i 、n b 、n i 、r e 等合金元素含量在一定范围内有利于提高热作 模具钢的热疲劳抗力，反之有害。在h 1 3 钢中添加微量的n b 可提高其热疲劳性斛3 9 l ， 在热疲劳循环过程中，钢中富铬碳化物m 2 3 c 粒子明显粗化，微量n b 的添加可使碳 化物的粗化受到抑制，且位错密度下降较慢，使得其热疲劳裂纹扩展相对缓慢，因 而材料的热疲劳抗力提高。在4 c r 3 m 0 2 n i 妯b 钢中加入1 0 的n i ，能促进回火组 织中v c 、m o c 2 的析出，并使碳化物数量增加，粒度减小，从而减小位错运动自由 程，增强二次硬化效应；n i 的加入还能提高该钢的断裂韧性，从而改善其热疲劳抗 力。但加n i 量达到2 o 时，这种强韧化效果将被削弱，钢的热疲劳性能有所降低嗍。 在4 c r 3 m 0 2 n i 妯钢中添加1 5 m n 后，钢中晶粒变得粗大，其热疲劳抗力大大降 低【4 ”。另外有研究表明，在铸造热锻模具钢( q d 钢) 中加入适量的稀土复合变质 后，钢中夹杂物的数量明显减少，夹杂物趋于球化并均匀分布在钢中。复合变质可 以促进位错亚结构的形成，细化马氏体板条。当稀土含量0 0 2 时，c h d 钢的冲击 1 1 江苏大学硕士学位论文 韧性、延伸率、断面收缩率提高近一倍，热疲劳性能有所改掣”】。 杂质元素对热作模具钢热疲劳性能的影响不容忽视，其作用主要体现于其形成 的夹杂物上。硫对钢的热疲劳性能影响主要取决于硫化物的形态p 蜘，单一球粒状态 存在的硫化物影响较小，但若钢经高温下强烈的热变形n t ( 如热轧) 后，硫化物 会沿着轧制方向呈纤维分布，硫化物几何尺寸的高纵横比容易导致模具表面产生高 应力，为热疲劳裂纹提供扩展路径。此外，硫化物夹杂断裂时形成微孔的聚集长大， 将降低模具钢的断裂韧性，从而降低其热疲劳性能。关于钢中主要硫化物夹杂m n s 对热疲劳性能的影响，一些人认为1 4 2 4 3 1 柔软的m n s 对热疲劳影响不大，有时甚至是 有利的。另一些人认为，m n s 是热疲劳裂纹主要发源地m i ，且它导致基体内部产生 空洞并成为氧化向纵深发展的通道，促进热疲劳裂纹的扩展。a 1 2 0 3 系夹杂物硬而脆， 且有尖锐棱角，热加工时易碎成串链，其线膨胀系数远小于基体，在循环热应力下 易成为裂纹源，降低钢的热疲劳性能。 2 、热处理工艺的影响 热处理工艺对热作模具钢的热疲劳性能有很大的影响。化学成分和微观组织对 热疲劳性能的影响都是通过一定的热处理工艺来实现的。合理的热处理工艺可使钢 的强度和韧性得到最佳的配合，降低材料的不均匀性，消除局部残余应力，使钢的 热疲劳抗力达到最佳。 ( 1 ) 淬火温度的影响 淬火温度对模具钢中奥氏体晶粒大小、合金元素的固溶度以及组织均匀性有决 定性的影响。较高的淬火温度，可提高钢的热疲劳性能，这是由于更多的碳化物溶 入基体，增加了基体中合会元素的固溶度，从而提高钢的高温强度和回火稳定性。 钢的高温强度的提高，可以减少每一个热疲劳循环产生的塑性应变幅【4 5 1 ，使热疲劳 裂纹萌生较为困难。并且淬火温度升高，可提高模具钢的回火抗力和热循环稳定性， 使其长时间保持较高的强度，有利于热疲劳抗力的提高。另外，随着淬火温度的升 高，淬火钢组织中孪晶马氏体的数量减少，位错马氏体增加，改善了钢的强韧性。 较高温度淬火容易引起奥氏体晶粒粗大，降低模具钢的冲击韧性，但可以改善其断 裂韧性k l 。这是由于较r 商温度淬火减小了未溶碳化物的尺寸和体积百分数，使碳 化物粒子间距增大，根据k r a f f t 公式嗍：k 。= e 胛2 砌r ，当第二相粒子平均自j 距 d r 增大时，k l 。增大。断裂韧性的提高有助于改善热疲劳裂纹扩展抗力。提高淬火温 度，钢中板条马氏体增多，为碳化物的析出提供较多的形核位置，使回火碳化物析 出更为弥散。同时，未溶碳化物减少，且外形细小圆滑，减小了热疲劳裂纹在粗大 江苏大学硕士学位论文 未溶碳化物与基体的相界面处的形核几率与优先扩展