高性能特殊钢

魏敏 新型热作模具钢CH95的高温力学和耐磨性能的研究 研究介绍 金属材料在高温和氧化环境中的磨损已得到较为广泛的研究 粘着磨损 磨料磨损和氧化磨损是高温下得主要磨损形式 在许多实际条件中 这三种磨损往往在金属部件中都会发生 高温磨损机制是很复杂的 通常是混合模式或者在不同的条件下模式也发生改变 金属材料的强度和硬度等随温度升高而降低 从而影响其耐磨性能 高温磨损是热作模具钢在高速墩锻机应用过程中常见的失效形式 为了满足高速墩锻机对模具耐高温磨损 耐热疲劳性能及强稳定性的使用要求 我们研制了新型热作模具钢CH95钢 研究内容 在不同的温度和载荷下 对进行少量添加B和Re元素的新型热作模具钢CH95和普通的热作模具钢H11的高温力学性能和耐磨性能进行比较研究 对两种热作模具钢的形貌进行扫描电镜分析 目录 实验材料为新型热作模具钢CH95和普通热作模具钢H11的组成成分如表所示 表一 H11钢和CH95钢的化学成分如图 质量分数wt CH95试样经1100 油淬 580 一次回火 620 二次回火处理 H11试样经1030 油淬 580 一次回火 600 二次回火处理 随后分别进行二段离子氮化处理 480 4h 510 10h N2 H2混合比率小于4O 两种试样热处理程序均采用空冷方式 热处理过程 WJ 10B型万能材料试验机上进行拉伸试验 HR 150DT型电动洛氏硬度计测量试样硬度 Neophot 2型金相显微镜进行金相组织观察 H7OO型透射电子显微镜 TEM 观察分析碳化物形貌 大越式OAT U型摩擦磨损试验机进行高温摩擦磨损试验 扫描电子显微镜观察磨损表面形貌 2 测试性能与分析 1 3 2 力学性能测试分析 热稳定性能分析 摩擦性能测试 CH95钢淬火后的组织为板条马氏体 粒状碳化物及少量残余奥氏体 二次回火后的组织为回火索氏体 粒状碳化物 而且碳化物的分布细小均匀 经过二次回火后的CH95钢的硬度处于5O 3HRC 用于进行力学性能测试试验的拉伸试样的直径为10mm 长径比为5 符合GB4338 84 在WJ 10B型万能材料试验机上进行拉伸试验 拉伸速率采用1 2mm min 试验温度分别为室温 300 600 650 和700 每个试验结果均为3 4次试验结果的平均值 2 1力学性能测试分析 将箱式炉升温至650 后装入待测试样保温 空冷至室温后 取出试样 用砂纸打磨表面氧化层 用HR 150DT型电动洛氏硬度计测量试样硬度 每个试验结果均为3 4次试验结果的平均值 对硬度变化较大的试样 磨去表面氧化皮后 用Neophot 2型金相显微镜进行金相组织观察 硬度测量 时效处理 2 2热稳定性能测试与分析 CH95和H11钢650 时效2小时的金相组织 500 采用大越式OAT U型摩擦磨损试验机进行高温摩擦磨损试验 待测试样尺寸为5mm 30mm 50mm 表面粗糙度R为0 8um 偶件为正火28MnCr5钢 偶件尺寸如图所示 试验条件为 相对滑动速度0 64m s 行程400m 温度为250 350 450 550 650 载荷为21N 32N 63N 126N 用精度为0 001mm的显微镜测量试样磨痕宽度 每个试验结果为3 4次试验结果平均值 以磨痕宽度表征试样的磨损性能 2 3摩擦性能测试与分析 当温度低于450 时 在磨损表面难以形成氧化层 CH95钢和H11钢的磨损过程是磨粒磨损和粘着磨损的结合 随着测试温度的增加 接触传热和摩擦热增加 导致摩擦表面的温度增加 然后 靠近磨痕的基体材料的修复速度加快 加工硬化速度和接触表面的硬度将减小 这样就使得磨粒易在磨损表面形成沟槽 由磨损造成的质量亏损随着温度的增加而增加 当测试温度高于450 时 磨损表面的氧化物开始形成氧化层 当温度继续升高时 氧化物覆盖的面积越来越大 致密的氧化层减少摩擦副之间直接接触的机会 从而有效的保护磨损表面和减少磨损表面的磨损 更多的完整的氧化层能够减少磨损 所以 质量亏损随着测试温度 大于450 的增加而减少 CH95钢中含有少量的稀土元素 稀土易发生氧化 从而加速致密氧化层的形成 细化氧化层组织 提高氧化层强度和韧性 减轻氧化层粘着破裂倾向 提高氧化层的耐磨性和抗剥离能 此外 稀土元素还能有效抑制晶粒的长大 使晶粒细化 并改善氮 碳 化物的分布状况 增强基体与氧化层之间的结合力 从而提高CH95钢的抗磨性能 特别是在高温高载荷下 CH95钢的高温力学性能显著优于H11钢 其在650 下的抗拉强度是H11钢的2倍 屈服强度是Hll钢的近2倍 高温力学性能是影响CH95钢和H11钢的抗磨性的主要因素之一 在高温低测试载荷下 氧化层更容易形成 在高载荷下 基体的塑性变形更容易发生 这样就不能有效的维持磨损面的氧化层 CH95钢比H11钢能更有效的维持磨损面的氧化层是由于它具有较好的高温强度 3结论 稀土可加速CH95钢表面致密氧化物层的形成 提高其强度 韧性 耐磨性和抗剥离