（材料加工工程专业论文）新型高韧性高耐磨性冷作模具钢研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 高碳高铬冷作模具钢由于具有较高的硬度和良好的耐磨性而被广泛使用，但此类钢 在凝固过程中，由于合金元素的偏析，会形成大量粗大的沿晶界连续分布的网状共晶碳化 物，它的存在使钢的强度和韧性明显降低，严重缩短了模具使用寿命。因此，破碎网状碳 化物，改变碳化物形态是提高冷作模具钢综合性能的有效途径。 本文在实验室条件下，合理调整冷作模具钢化学成分，并采用r e - n b t i 复合变质剂 对其进行复合变质处理，运用高倍视频显微镜h s v m 、s e m 、x r d 、e d s 并结合性能测 试等手段分析了复合变质处理对冷作模具钢组织性能的影响。实验结果表明：复合变质处 理使得冷作模具钢枝晶组织明显细化；且冷作模具钢中粗大板条聚集并联结成网状的 c r 7 c 3 型碳化物减少，碳化物网呈破坏趋势并趋于块状，同时产生点块状的少量m 0 2 c 及 富t i 、m o 的n b c 碳化物弥散分布；氧、硫含量降低，p 元素转移到复合碳化物中，减少 了p 与f e 结合生成的在晶界偏聚的磷共晶数量，减轻了对冷作模具钢韧性的削弱作用。 使用电极石墨增碳并结合复合变质，可以有效增加冷作模具钢碳化物的析出，从而降 低基体碳含量，随后8 7 0 低温油淬时，冷作模具钢获得了具有良好韧性的板条马氏体组 织，避免产生残留奥氏体。球化退火使得复合变质后冷作模具钢中富c r 碳化物呈现出六 边形的形态，而富n b 、t i 、m o 的碳化物可以实现更好的球化。 性能测试结果表明：8 7 0 c 淬火，6 0 0 回火时，复合变质处理冷作模具钢综合力学性 能最佳，硬度达到5 8 5 h r c ，冲击韧性达到5 0 j c m 2 ；在不明显降低硬度的情况下，复合 变质及热处理使得冷作模具钢耐磨性能明显提高。 关键词：复合变质，冷作模具钢，共晶碳化物，韧性，耐磨性 山东大学硕十学付论文 a b s t r l l c t t l l ec o l dw o r k i n gd i es t e e l 晰t i ll l i 曲c a r b o na n dh i g h - c h r o m i u ma r ew i d e l yu s e dd u et oi t s l l i g hh a r d n e s sa n dg o o dw e a rr e s i s t a n c e b u tal o to fc o a r s en e t - l i k ee u t e c t i cc a r b i d e sa r eo f t e n l o c a t e do nt h eg r a i nb o u n d a r i e so ft h i ss t e e la t t r i b u t e dt ot h es e g r e g a t i o no fa l l o ye l e m e n t s d u r i n gt h es t e e ls o l d i f i c a t i o n t h e s ec a r b i d e sc a l lp l a yd o w nt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s se v e n s h o r t e nt h ea p p l i c a t i o nl i f eo ft h es t e e l s oi ti sae f f i c i e n tm e t h o dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o l dw o r k i n gd i es t e e lb yb r e a k i n gt h en e t - l i k ec a r b i d e sa n dc h a n g i n gt h em o r p h o l o g yo f t h e m i nt h i sa r t i c l e ，r e - n b t im u l t i - m o d i f i c a t o ri su s e dt om o d i f yt h es t e e la n dt h ec o m p o s i t i o n o ft h es t e e li sa l s oa d j u s t e d t h eh s v m ，s e m ，x r d ，e d sa n do t h e rp r o p e r t yt e s te x p e r i m e n t s a r eu s e dt oa n a l y z et h er e s u l t s i ti ss h o w nt h a tt h em u l t i - m o d i f i c a t i o nc a l le f f e c t i v e l yr e f i n et h e d e n d r i t i cg r a i n so ft h es t e e l i na d d i t i o n ，t h ec r 7 c 3c a r b i d e sw h i c ha r ep l a t e - l i k ea n dc o n n e c t e a c ho t h e ri nt h em a t r i xa r ed e c r e a s e da n dt h em o r p h o l o g yo ft h o s ea r et r a n s f e r r e df r o mn e t - l i k e t ob l o c k l i k e s o m ep a r t i c l e - l i k em 0 2 ca n dn b c c o n t a i n i n gt i t a n i u ma n dm o l y b d e n u ma r ea l s o f o r m e da sd i s p e r s i o n a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t e n to fo x y g e na n ds u l p h u ra r el o w e r e da n d p h o s p h o r u si st r a n s f e r e di n t ot h ec o m p o u n dc a r b i d e s ，s ot h et o u g h n e s so ft h es t e e li si m p r o v e d d u et ot h ed e c r e a s eo ft h ei r o np h o s p h i d ee u t e c t i c u s i n gt h eg r a p h i t ep o l e t oi n c r e a s et h ec a r b o nc o n t e n ta n d i n c o r p o r a t i n gw i t h m u l t i m o d i f i c a t i o nc a ne m c i e n t l yi n d u c et h ep r e c i p i t a t i o no ft h ec a r b i d e sa n dd e c r e a s et h e c a r b o nc o n t e n ti nm a t r i x t h e nt h el a t hm a r t e n s i t ec a nb eg a i n e da f t e rt h e8 7 0 o i l q u e n c h e d a n dt h er e s i d u a la u s t e n i t ec a nb ea v o i d e d c a r b i d e sw i t hh i g hc h r o m i m uw i 儿b ec h a n g e di n t o h e x a g o nb y t h e s p h e r o i d a la n n e a l i n ga n dc a r b i d e sc o n t a i n i n gn i o b i u m ，t i t a n i u ma n d m o l y b d e n u mc a l lb eb e t t e rs p h e r o i d a l t h ep r o p e r t yt e s tr e s u l t ss h o wt h mt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o l dw o r k i n gd i es t e e la f t e r m u l t i - m o d i f i c a t i o ni st h eb e s tw h e ni ti so i l q u e n c h e da t8 7 0 a n dt e m p e r e da t6 0 0 t h e h a r d n e s si sa b o u t5 8 5 h r ca n dt h ei m p a c tt o u g h n e s sc a ng e tt o5 03 | c 矗m o r e o v e r , t h e m u l t i - m o d i f i c a t i o na n dh e a tt r e a t m e n tc a no b v i o u s l yi m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c ew i t h o u tt h e 印p a r e n tr e d u c t i o no fh a r d n e s s k e yw o r d s ：m u l t i - m o d i f i c a t i o n ，c o l dw o r k i n gd i es t e e l ，e u t e c t i cc a r b i d e ，t o u g h n e s s ，w e a r r e s i s t a n c e 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 重丘兰壁 e l 期：幽：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：室立型导师签名： 山东大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1课题相关背景及内容 模具钢，根据其用途和工作条件可分为三大类，即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模 具用钢。冷作模具钢主要用于在冷状态下进行工件压制成形的模具，本课题所研究钢种即 属于冷作模具钢的范畴。随着工业发展的突飞猛进，对冷作模具钢提出了更高的要求，如： 高韧性、高耐磨性等，本课题旨在开发出一种具有高韧性、高耐磨性同时又满足一定硬度 要求的冷作模具钢材料。 1 1 1 冷作模具钢介绍 1 1 1 1 冷作模具钢品种及成分【1 】 冷作模具钢主要用于制造冲裁、冲压、冷挤压、冷镦、拉伸和压印模具，国内溥作模 具钢的主要品种为c r l 2 ( d 3 ) 、c r 2 w m n ( 0 1 ) 、c r l 2 m o v 、c r l 2 m o l v i ( d 2 ) 等，占模具钢总 量的1 7 ，占合金模具钢总量的3 4 。在c r l 2 系列的模具钢中，仍然以c r l 2 钢为主，2 0 0 1 年产量高达1 7 0 0 0 t ，占该系列钢的4 6 ，而d 2 ( c r l 2 m o l v l ) 钢仅占1 8 2 。而近十多年来 我国自行研制和从国外引进的品种，主要有：7 c r s i m n m o v 、g d ( 6 c r m n n i m o v s i ) 、 a 2 ( c r 5 m o l v ) 、a 6 ( 7 c r m n 2 m o ) 、a 8 ( 5 c r 5 m o w ) 、6 5 n b ( 6 5 c r 4 w 3 m 0 2 v n b ) 、c r 8 m 0 2 v 、 d 7 ( c r l2 m 0 4 v ) 、0 2 ( 9 m r d v ) 、t c d ( c r 8 m o v 2 s i ) 、v a s c o d i e ( 8 c r 8 m o v s i ) 等。 如下分别列出了国内常用模具钢化学成份以及国内外冷作模具钢的钢号： 表1 1 国内儿种常用冷作模具钢的化学成分1 2 1 t a b l e l 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s e v e r a ld o m e s t i cc o l dw o r k i n gd i es t e e l s 主要成务t j 钢号 c孓地 q vq 0 1 2 2 0 0 - 2 3 0锄4 0锄1 1 5 0 - 1 3 0 0 q l2 l i “1 4 5 - 1 7 0固锄1 1 0 0 1 2 5 0o 4 0 ，o 6 0o 1 5 、o 3 0 q 1 3 白l 1 4 0 v i 6 0锄叼6 di i o o 1 3 o oo 7 0 一1 如o 7 0 i 1 0 岛o o 山东大学硕+ 学位论文 表1 2国内外冷作模具钢钢号对照【2 l t a b l e1 - 2c o m p a r i s o no fc o l dw o r k i n gd i es t e e lb e t w e e nd o m e s t i ca n da b r o a d 国际标准 分类 日本 前苏联美国法国英国德国中国 化组织 离碳岛 2 1 0 0 1 2 s d l 2d 3z 7 0 0 a !b d 3跫l o q l 20 1 1 铬冷作 s l d l l! 6 5 c 她1 1g l 二m ) 、t 礁具钢 1 6 0 g 酗) 、1 ：s i d l l刁6 0 2b d 2j j 扒1 1 lq l 帅1 y 1 表1 3 主要冷作金属模具钢的化学成分【3 l t a b l el - 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a i nc o l dw o r k i n gd i es t e e l s 1 1 1 2 冷作模具钢在使用性能上主要考虑的因素 1 、 硬度和红硬性( 热稳定性) 硬度是模具钢的重要性能指标，模具在使用过程 中应能在压应力的作用下，保持其形状和尺寸不会迅速发生变化。因此经过热处理后的模 具应具有足够的硬度，如冷作模具硬度一般在h r c 6 0 以上。红硬性是指在受热或高温工 作条件下，能够保持组织和性能稳定，具有抗软化能力，在5 0 嘶0 0 条件下，仍保持足 够高的硬度1 4 j 。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理制度，是模具钢的重要性能 指标之一。 2 、耐磨性 模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，且这种摩擦主要为滑动 摩擦，其摩擦情况非常复杂，要求模具在这种条件下仍能保持尺寸和形状不变。模具的耐 磨性不仅取决于钢的成分、组织和性能，而且与工作温度、载荷( 压力) 状态、润滑介质 等有较大的关系。提高钢的硬度，有利于提高钢的耐磨性，但到了一定硬度值之后，再提 高硬度对提高耐磨性所起的意义就不显著了【5 1 。 2 山东大学硕士学位论文 3 、 强度和韧性模具在工作中承受较大负荷及冲击、震动、扭转和弯曲等复杂应 力，重负荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂而提前损坏。 因此，使模具钢保持足够的硬度和韧性，有利于延长模具寿命。同时，钢的晶粒度和钢中 碳化物的数量、大小及分布情况以及残余奥氏体量等，均对钢的强度和韧性有很大的影响。 例如，随着钢中晶粒的长大和碳化物分布不均匀度的增加，钢的强度下降，而对韧性的削 弱更为明显1 6 j 。 1 1 1 3 模具钢在实用性能上主要考虑的因素 1 、加工性是指锻、轧热加工性以及切削、研磨等形式的冷加工性能，它们与钢的 化学成分、冶金质量、组织形态及含硫、磷量等有关。模具钢大部分都是含有多种合金元 素，而且这些合金含量较高的钢种，尤其是高碳、高合金钢，在进行热加工时要严格控制 加热制度及冷却方式，以避免或减少热加工废品，而在冷加工之前，应改善组织状态，以 减少冷加工过程中刀具的磨损，提高模具的表面质量。 2 、热处理变形和淬火温度制成的模具，进行最终热处理时要求模具的尺寸与形状 愈稳定愈好，因此，在热处理时对模具所产生的变形程度要求很严，同时，要求淬火温度 范围足够宽，以减少过热现象的产生。 3 、淬硬性和淬透性淬硬性主要与钢的化学成分特别是含碳量有关。淬透性除了决 定于钢的化学成分外，还与钢在淬火前的原始组织有关。模具钢对这两种性质的要求，根 据不同模具的使用条件各有侧重，例如，对于要求表面具有高硬度的冲切模具和拉伸模具 用钢，淬硬性显得重要；而对于要求整个截面具有均匀一致性能的热锤锻模具，淬透性则 显得重要。 4 、脱碳敏感性模具表面发生脱碳，会使模具表面层的机械性能降低，因此，要求 模具钢的脱碳敏感性愈低愈好。但是，在相同的加热条件下，钢的脱碳敏感性决定于钢的 化学成分，特别是含碳量。 冷作模具钢用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、滚丝模等类型的模具，一 般要满足以下几个性能要求：高硬度、高耐磨性和足够的韧性。 1 1 2 常见冷作模具钢中的合金元素 1 1 2 1 合金元素对凝固过程和凝固组织的影响 从前面的介绍我们可以知道，我国最常用的冷作模具钢钢号是c r l 2 系和c r l 2 m o v 等，包括近年来我国自主开发的其他型号以及国外的主要型号也都是在前者主要合金成分 山东大学硕十学位论文 的基础上发展起来的。因此研究各主要合金元素的作用对冷作模具钢的进一步开发具有重 要的意义。 冷作模具钢的含碳量较高，一般属于莱氏体或过共析钢。由于c r l 2 钢和c r l 2 m o v 钢是含有较多合金元素的高合金钢，因此很难用一种二元相图精确的表示模具钢的凝固过 程，可以把c r 、m o 、v 等合金元素作为c r 的等效元素，那么它的凝固过程可以用f e m c 三元相图加以近似的描述，其中m 代表m o 、c r 、v 等合金元素。铬是缩小铁碳平衡相 图中丫区的合金元素，并使s 点和e 点向左移，m o 、v 也有类似的作用。 常见冷作模具钢往往有明显的晶内偏析，也就是说在每一个晶粒的中心部分的碳和铬 含量较晶粒的外面部分要低得多。围绕每一个晶粒的是奥氏体和碳化物的共晶混合物，这 类钢的凝固组织和高速钢非常相似。但又因其含碳量较高，所以凝固过程和高速钢的不同， 它在凝固一开始时，首先析出的是奥氏体，温度继续降低则析出碳化物，凝固组织包括奥 氏体及其转变产物( 在冷速较快时，部分奥氏体转变为马氏体) 、分布在晶界上的网状共 晶碳化物。 u 1 3 z c r 0 ，、 v + h 。协 7 、 l 0 户 l4 - 0+ y 、 l + y 0 1 。 氙 ，一 y 0 一 7 0 l 4 - y+ k f 爪 g4 - k 。 0 v ，y + l：1 4 - k 2 l y + k k 。 d 钐 卜 4 3 5 d 1 ) 汐 、 3 矗哆彳 毖 4 3 2 ( d 3 ) c 步 一、 j 一一 二 碳， 图1 2 铁一碳铬系在1 2 9 0 的等温截面图( 美工具钢p 2 2 1 ) f i g 1 - 2i s o t h e r m a lp h a s ed i a g r a mo ff e - c - c rs y s t e m 在图上指出了三种高碳高铬模具钢( d 2 ) 、( d 3 ) 和( d 1 ) 钢的近似成分 表l - 4 冷作模具钢中铸态共品碳化物的化学成分 t a b l e1 - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa s - c a s te u t e c t i cc a r b i d e si nc o l dd i es t e e l c o m p o s i t i o n s ， w t c a r b i d e s c rm 0vf e m 7 c 3 3 9 4 3 85 - 3 2 1 4 9 2 5 5 4余量 1 1 2 2 合金元素的作用 l 、铬 铬在钢中一部分溶入铁中形成连续固溶体，相变时对碳原子的迁移起阻碍作用，推迟 奥氏体转变孕育期，从而提高钢的淬透性；铬还使钢的等温转变性质发生变化，贝氏体转 5 山东大学硕士学佗论文 变区移向较低温度，导致珠光体与贝氏体转变区域分离。铬钢中共析组织含碳量、奥氏体 中碳的极限浓度都比碳钢低，因而能使钢中共析体量及二次碳化物量增加。 与铁相比，铬与碳更易形成化合物。因此，铬在钢中形成一系列稳定的铬碳化合物。 在室温下铬钢中主要碳化物相为( f e ，c r ) 3 c 和( f e ，c r ) 7 c 3 ，前者具有渗碳体点阵，硬度 h v 8 4 0 - - - 1 1 0 0 ，呈网状分布，后者具有密排六方点阵，硬度h v l 2 0 0 1 8 0 0 ，呈条状分布。 铬在奥氏体中的实际浓度影响m s 点温度和钢的回火稳定性。增加铬含量使钢的m s 点温度降低，但其影响小于碳和锰。含铬较高的钢淬火后残余奥氏体量增加。铬增强钢回 火稳定性，铬钢一般需要在较高的温度回火。中温回火( 4 0 0 , - - 5 0 0 c ) 时，由于大量残余奥 氏体在冷却时分解，使钢产生二次硬化现象。 铬增加钢的回火脆性倾向。高铬钢尤其明显。回火脆性往往使钢不能承担工件所承受 的冲击裁荷。 2 、碳的作用 2 5 2 0 水 15 s 墓1 1 3 5 0 么c q 2 6 b 、么。形 。 卜1 c 钐夕 夕 彳 f ?多 乡夕 珍 夕 0 ，5 1 01 52 02 53 ，03 54 0 碳， 图1 3 不同碳化物含量与钢中含碳量的关系 f i g 1 - 3t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev a e dc a r b o nc o n t e n ta n dt h ec o n t e n to fc a r b i d e s 6 山东大学硕士学位论文 6 4 2 p 口 幽碰 7 。多广_ 夕 、多多 彦_ 多a + m 3 c c ，z 图l - 4 碳和铬含量对相的组成的影响 f i g 1 - 4e f f e c to f c a r b o na n dc h r o m i u mc o n t e n to nc o m p o s i t i o no fp h a s e | o 碳化物总古量 ?| 7| ， 。c c m 2 c 。 7 、 m 2 ：3 c6 丈 ， 勿1卜1 c 、 5 图1 - 5 碳含量对冷作模具钢中铸态共晶碳化物的影响 f i g 1 5e f f e c to fc a r b o nc o n t e n to nt h ea s - c a s tc a r b i d e si nc o l dd i es t e e l 3 、钒的作用 钒与碳有较强的结合力，在冷作模具钢中增加钒量，就相当于将凝固相图中的所有点 均向左移，一系列研究表明，随着钒量的增加，模具钢的共晶反应温度均降低，a 铁素体 区变宽。 4 、m o 的作用 m o 元素对模具钢的机械性能有与w 相似的作用，m o 和w 在钢中可以以等原子数 7 山东大学硕+ 学位论文 23 钒含量( ) 图1 6v 含量对冷作模具钢中凝固组织中共晶碳化物的影响 f i g i - 6e f f e c to f vo i le u t e c t i cc a r b i d e si nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e so f c o l dd i es t e e l 互换。m e 主要促进羽毛状和层片状碳化物的形成，m e 是稳定铁素体元素，随着m e 含 量的提高，a 铁素体区变宽，奥氏体区变小，并抑制包晶反应的发生，每增加1 的m e ， 包晶反应温度降低2 8 。当m e 含量达到8 时，包晶反应几乎可以被消除。 1 1 3 模具钢的生产研究现状 冷作模具钢是制造模具的主要材料，在现代工业中得到广泛应用。模具直接关系到 产品的质量、性能、生产率及成本，而模具的质量与使用寿命与制造模具的钢材及工艺又 有直接的关系。第一次世界大战期间，作为高速钢切削刀具的代用品，首次进行了高碳高 铬钢的商业性生产，但它们没有足够的高温硬度并且脆性过高，因此仅能在有限范围内使 用【7 】。然而，由于大量硬的碳化物质点产生的高耐磨性并配合变形小的特性使这些钢非常 适用于模具生产。 1 1 3 1 国外发展现状 在工业发达的国家，都有一家或几家有名的模具钢生产厂，如西德的蒂森特殊钢厂、 瑞典的u d d e h o l m 钢厂、美国的c a r p e n t e r 钢厂、日本的日立、大同钢厂等。这些钢厂都 将模具钢产品放在一定的重要位置，把科研开发与生产还有为用户服务相结合，针对用户 提出的要求，为模具行业的发展不断开发出新的材料。 国外非常重视冲模的标准化，常用的材料有：美国的a 5 、a 6 、d 2 、h 4 2 等，日本的 s k s 3 s k s 3 1 、s k d i s k d l 2 等，另外，还有新开发的冲模材料及加工方法等。 l 、采用粉末冶金方法制造高合金c r l 2 模具钢，特点是：碳化物分布均匀，热处理变形仅 为普通钢材的1 2 i 5 ，加工方法与普通c r l 2 模具钢相同，合金含量可以根据需要调 整。品种有美国的a s p 系列，日本的h a p 系列。淬火硬度可达h r c 5 8 7 0 。 8 拍 如 侣 5 o lu母ioe：2， 山东大学硕士学位论文 2 、预硬钢的调质态硬度为h r c 4 0 - 4 5 ，可进行切削加工，可用于制造卸料板、固定板等。 牌号有：美国的4 1 3 0 4 1 4 0 系列，日本的h p m l h p m l 7 等钢种。 3 、火焰淬火钢，其特点是适应于局部硬化，无脱碳，主要型号如日本的s x 4 、s x 5 等。 4 、硬质合金加工方面，采用热等静压技术，可以使孔隙度从0 1 1 降低到0 0 0 0 1 ，几 乎达到理论密度，组织结构均匀，性能显著提高。 5 、模具表面处理，主要采用镀铬、气体软氮化、离子氮化、c v d 、p v d 、t d 法、激光 轰击法等，以提高模具寿命1 8 】。 1 1 3 2 国内存在问题 1 9 9 2 年统计，全国模具钢年需要量为3 0 万吨到1 9 9 5 年则达到4 0 万吨，国内各类模 具钢号有7 0 余种，分别适应于热挤压、热锻模、塑料模、压铸模、塑料模、冲模等各类 模具。我国模具企业对模具钢材需求量小，品种、规格多，需要单位分散，不易集中供应。 历年来我国生产的模具钢中，圆棒材的产量占9 0 以上，扁钢、模块、中厚板产量很低， 与国外差距很大( 如日本合金工具钢总产量中圆棒只占6 0 ，扁钢、钢板、钢带等占4 0 ) ， 而且大多是用棒料锻打改制，造成能源、加工工时浪费，成材率低，同时也影响了模具制 造周期。我国1 9 9 5 年调查的模具钢需要量中，7 0 5 5 m m 的中厚板占5 5 ，圆钢占4 0 ， 这与日本钢产量的规格品种比例很相同。表1 5 为我国模具钢材品种与年需要量。 表1 - 5 模具钢材品种与年需要量1 9 l t a b l el - 5v a r i e t ya n da n n u a ld e m a n do fd i es t e e l 钢材品种年需要量( 吨) 模具用中厚钢板 $ 5 5 c 、s 5 3 c 、4 5 # 、p 2 0 a3 0 0 0 0 c r l 2 、c r l 2 、c r w m n2 0 0 0 0 冷作模具钢l d1 0 0 0 6 5 n b5 0 0 5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、h 1 3 1 4 0 0 0 热作模具钢3 c r 2 w 8 v 8 0 0 0 y 4 、y 1 0 、h m l 1 5 0 0 塑料模具钢 p 2 0 、5 n i s c a 、p m s 2 0 0 0 碳素工具钢( 棒材及板材) t 8 、t 1 02 8 0 0 硬质合金 2 0 0 9 山东大学硕+ 学位论文 1 1 3 3 新的提高模具寿命的方法 1 、 表面强化处理，通过调整一般热处理工艺改善钢的强度和韧性，获得强韧性的 良好配合，是提高模具寿命的有效途径之一，采用不同的表面强化处理工艺，并赋以适宜 的心部性能相配合，可以使模具表面具有高硬度、耐磨、耐蚀、耐热、抗咬合和低摩擦系 数等优良综合性能，使模具寿命提高几倍甚至几十倍f i o 】。 2 、 化学气相沉积( c v d ) ，美国将c v d 技术应用于紧固件模具，使其寿命提高3 5 倍。为了利用t i c 的高硬度及n n 的高润滑性，采用这两种材料的复合涂层，日本将这 项技术应用于拉深凹模，使其寿命提高8 倍，国内的应用也使寿命得到了成倍的提高l l 。 3 、 超低温处理是常规淬火工艺后的后续过程，淬火后的工件经1 0 0 左右低温回火 后，立即放入以液氮做致冷剂的超低温处理设备中进行超低温处理。d 2 钢经1 6 0 1 4 0 超低温处理后，残余奥氏体量为1 5 3 o 左右，组织明显细化，并有大量的微细碳化物 沿原奥氏体晶界及马氏体晶界和马氏体晶粒内弥散析出【l2 1 。 1 1 3 4 冷作模具钢的发展方向 1 、 发展综合性能较好的冷作模具钢。为了适应高效率、高精度冷作模具的要求， 必须发展耐磨性高、红硬性好，又具有较高韧性的模具钢基体钢，如日本大同特殊钢 公司的m h 2 5 钢( 5 c r m 0 4 w 2 v 1 ) 等。 2 、高耐磨性冷作模具钢，成分特点是高碳、高钒，如美国的v a s c o 公司的c 2 7 ， c r 8 2 5 ，m 0 1 1 2 ，v 4 5 等，这类钢由于内部形成大量高硬度的碳化钒，故具有优良 的耐磨性；但由于韧性、可磨削性、可切削性等显著下降，从而限制了其应用和推广。 3 、 空淬微变形冷作模具钢，具有临界点低、淬火温度低、淬透性强、淬火变形小、 可切削性和可磨削性好等特点，适用于制造精密冲压模具和精密工件。 4 、火焰淬火冷作模具钢，适于制造容易产生淬火变形的大型冷作模具，如下料模、 冲裁模【u j 。 5 、 为了提高冷作模具的耐磨性、耐热性和抗腐蚀能力，在c r l 2 类型的冷作模具钢 中加入3 左右的钴，以达到氮化处理后同时保持模具内部的硬度和提高模具钢的抗回火 稳定性的目的。 6 、高强高韧性高耐磨性冷作模具钢，即具有很好的综合性能，用于线切割加工的 精密冲裁模及各种用途冲压模、难加工材料的塑校变形用工具( 冷锻，深拉和搓丝用模) 以及高速冲裁冲头等，如日本大同公司的d a i d od c 5 3 ，瑞典一胜百公司的a s s a b 8 8 都 1 0 山东大学硕十学位论文 属于该领域的优秀钢种，但由于其价格较高，对于国内大规模使用受到了一定限制，本课 题研究对象即属于此类钢种。 1 1 4 改善冷作模具钢组织及性能的主要途径 1 1 4 1 合金化 为了改善冷作模具钢的组织、工艺性能和力学性能，除了调整铬、碳含量外，在生 产上还经常需要添加一些辅助合金元素，如钼、钒、锰、钨等。其中，钼显著提高钢的淬 透性，固溶强化基体；促使c 曲线中珠光体区和贝氏体区分离并对珠光体区的推移较大， 有利于淬火贝氏体的形成；钼与铬、锰等导致回火脆性的元素配合使用，能抑制和降低钢 的回火脆性；钒能显著细化钢的晶粒，提高钢的综合力学性能1 1 4 】；锰能改变初生奥氏体 的析出温度和合金凝固温度范围，由于锰对凝固过程的这些影响，使得含锰较高的冷作模 具钢初生奥氏体枝晶细化，数量增加i l5 。另外，w 、m o 、c r 、v 等还可以改变共晶碳化 物的种类，使碳化物由连续网状变为断续网状，形貌和分布得到改善。例如，c r 促进块 状m 7 c 3 型碳化物【埽】的形成，w 促进块状m 6 c 碳化物的形成【1 9 】，m o 促进粒块状m 2 c 碳化物的形成 2 0 - - 2 1 1 。为进一步改善碳化物形态，还可以向钢中加入n b 、t i 等强碳化物形 成元素，从而在钢凝固组织中形成大量弥散的一次块状碳化物，替代部分网状共晶碳化物， 使碳化物的形貌和分布得到改善。s a n d b e r g y 的研究表明田】，随着币加入量的增加，m 2 高速钢凝固组织中莱氏体减少，块状碳化物量增加，当t i 含量达到1 0 以上时，可基本 消除高速钢的网状共晶莱氏体，碳化物呈块状弥散分布。 1 1 4 2 变质处理 变质处理是改善冷作模具钢组织和性能最为经济有效也是最常用的种方法。加入 n b 、t i 等强碳化物形成元素，可以和金属液中的c 、n 等元素反应形成大量弥散的碳氮 化物质点，作为奥氏体的异质核心，细化奥氏体枝晶组织；同时，大量孤立块状的一次碳 化物的形成又可以改善碳化物的形貌和分布，n b 在高铬铸铁中形成大量枝状的初晶和花 瓣状的共晶n b ( c n ) ，使铸态组织中m 7 c 3 碳化物减少，从而使共晶碳化物的形态和分布 得到改善，在含铬5 ，含钒9 的铸铁中加入0 0 1 加3 的t i 可以使铸铁中共晶v c 减 少，颗粒状初晶v c 增多瞄】。文献 2 4 】分别向硼白口铁中加入r e 、n b 和n b 、n 变质剂， 可以使共晶碳化物变为孤立块状，并推测这是由于n b 的碳氮化物起到了共晶碳化物的异 质核心的作用。 文献 2 5 2 8 研究了稀土变质对于共晶碳化物的影响，发现，稀土变质可以使网状 山东大学硕十学位论文 m 3 c 共晶碳化物变为板块状，断开分布，使韧性大大提高。文献【2 9 】的研究表明，c r l 2 钢经稀土变质后，共晶碳化物细化成孤立的短杆状，冲击韧性提高3 6 。 用碱金属如n a 、k 、m g 等的金属盐对c r l 5 m 0 3 进行变质处理，可使共晶碳化物细 化、孤立化与团块化，其中经钾盐变质和热处理后，其硬度可达h r c 6 5 ，冲击值大于 1 0 j c m 2 【3 0 3 2 1 ，文献1 3 3 的研究发现用m g 对c r 2 6 变质，可使其冲击值稳定在1 0 - - 1 2 j e r a 2 。 其他合金元素如a l 、z n 等对含铬钢铁也有变质作用。在中铬铸铁中加入0 2 o 3 的 a l ，铝的氧化物可以作为初生奥氏体的的结晶核心，增加形核率，细化初生奥氏体和共晶 碳化物，提高力学性能，但过量的铝将引起共晶碳化物的粗化【3 4 】；文献【3 5 】在高铬铸铁中 加入o 1 的z n ，使共晶碳化物变得细小、孤立、尖角圆钝，经热处理后效果更加明显， 强度和韧性均得到显著提高。 人们通过实验证实，采用多元复合变质剂对冷作模具钢进行变质处理，其效果要大 大优于单元素或双元素变质。文献 3 6 - - 3 7 采用含稀土、镁等多元复合变质剂，对c r l 2 模具钢进行变质处理，配合热处理，使网状共晶碳化物断网并呈粒状均匀分布。 1 2 选题目的和意义 随着工业技术的迅速发展，机械、仪表、电器、电子、轻工和国防等部门，广泛地 采用新的高精度、高效率的模具加工成型工艺代替传统的切削加工工艺。制作精密、长寿 的模具，首先必须要有优质的模具钢。因此有人提出“模具是促进社会繁荣的动力”。而 冷作模具钢在模具钢生产应用中占有很大的比重，具有广泛的市场前景。 在常见冷作模具钢的凝固过程中，c 及碳化物形成元素c r 、m o 、v 在钢的晶界处偏 析，形成大量粗大的呈连续网状分布的共晶碳化物。这种网状共晶碳化物严重割裂基体， 还可作为模具钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展途径，从而使得模具钢的晶界严重脆化，韧性 很低，在铸态下几乎不能使用，必须通过在高温下反复锻造将模具钢铸锭中的网状共晶碳 化物打碎，使碳化物呈粒状、弥散分布。但是，在锻造过程中，由于受到锻造比的限制， 对于大尺寸铸坯，其心部的共晶碳化物很难打碎，所以在锻造后的模具钢组织中经常存在 带状碳化物偏析，使模具钢的性能出现各向异性。而且由于网状共晶碳化物的存在，在锻 造过程中容易出现开裂和过烧等引起的废品。如果能使冷作模具钢铸态下的碳化物形态得 到改善，则在锻打时就能以较小的锻造比获得较大的变形量，也就是说可以使得碳化物在 相同锻造比的情况下获得更好的分布，甚至对于某些要求不太高的零件，可以在铸态下直 接使用。这样不但可以简化生产工艺，降低模具生产成本，还可以实现模具钢废料的重熔 利用，具有巨大的经济效益和使用价值。 不仅如此，实际上现在大量使用的冷作模具钢均各有利弊，比如高碳高铬冷作模具钢 由于其间存在大量的碳化物质点而具有高耐磨性，但其碳化物偏析较严重，特别在其尺寸 1 2 山东大学硕十学1 1 i ) ：论文 规格较大时，反复镦拨收效不大，导致变形的方向性和韧性降低，常用的c r l 2 、c r l 2 m o v 均属于这种钢种；而韧性更优良的高韧性冷作模具钢种如6 5 c r 4 w 3 m 0 2 v n b ( 6 5 n b ) 、 6 5 w 8 c n v t i ( l m i ) 、d s 等则往往在使用时由于耐磨性不足而受到限制。如今，随着冷 冲压制品向高精度、高效率、多品种发展，迫切要求模具钢具有良好耐磨性和高韧性的优 良综合性能。在这方面，日本、瑞典等发达国家已经走在了世界的前列，开发出了一批具 有良好综合性能的钢种，如d c 5 3 ，a s s a b 8 8 等，而我国与其成分相近牌号的钢种性能上 却存在很大差别，仍需大量进口。进口模具钢的价格很贵，一般为国产钢的3 - 5 倍，实 际上对于进口模具钢材，大部分产品我国有能力进行研究开发，关键问题在于加强模具钢 的基础研究和生产工艺的攻关，提高国产模具钢的质量和性能水平。因此，合理调整合金 成分并综合采用变质和热处理等处理手段减轻冷作模具钢凝固过程中合金元素的偏析，改 善铸态共晶碳化物的形态和分布，控制组织，改善有害元素p 等的分布，对于丰富冷作模 具钢的变质和合金化理论，减轻锻造负担，提高使用寿命，降低成本都具有重大的理论意 义和实际应用价值。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 本文在常用冷作模具钢的基础上，调整合金成分，在实验室条件下采用r e 、n b 、t i 对其进行复合变质处理，并配以热处理，改善碳化物的形态，优化基体组织，改变有害元 素p 的分布，减轻锻造负担，以期获得高耐磨性高韧性的综合性能，提高模具使用寿命。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 通过分析不同化学成份对模具钢组织及性能的影响，确定合适的复合变质剂成份。 ( 2 ) 研究复合变质处理对模具钢组织中枝晶及碳化物形态和分布的影响，并分析其变质 机理。 ( 3 ) 研究增碳方式对模具钢中碳化物形态和分布的影响。 ( 4 ) 研究复合变质处理对p 元素分布的影响，并分析其变质机理。 ( 5 ) 研究热处理对复合变质处理模具钢基体组织及碳化物的影响。 ( 6 ) 研究复合变质处理及热处理对模具钢性能的影响。 山东大学硕十学位论文 第二章实验材料及实验方法 2 1 实验材料及变质剂的选择 2 1 1 实验用材料的选择 常见冷作模具钢材料多为高碳高铬合金钢，如在我国应用最广泛的c r l 2 m o v 钢等， 此类钢含c r 量高，淬透性好，但大量的c r 会使残余奥氏体增加，同时产生的含c r 碳化 物会对韧性有很大影响，而加入m o 能改善其淬透性和韧性，使晶粒细化并且可以有效改 善冷作模具钢中碳化物形态及分布。出于以上考虑，本实验在c r l 2 m o v 化学成分的基础 上，降低c r 含量，提高m o 含量，设计成分如表2 1 所示。 表2 1 实验设计化学成分，w t t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f d e s i g n e dm a t e r i a l s ，w t cs im nc rm ovsp o 9 1 0 5o 8 - 1 10 2 0 57 8 8 51 8 - 2 1o 1 5 o 3 5 0 0 3 5郢0 3 5 考虑到材料的通用性，本实验选用废钢、低磷生铁以及各种合金来配制目标设计成分， 主要原料成分如表2 2 所示。 2 i 2 变质剂的选择 ( 1 ) 稀土稀土在钢中主要偏聚在晶界上【3 引，具有减轻碳及其它合金元素向晶界的 偏析，净化晶界，减少