相平衡熱力學方法在超細碳化物高碳合金鋼合金設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、鋼中碳化物類型、數(shù)量、尺寸及分布對鋼的工藝、組織及性能有極為重要的影響。碳化物的細化對提高鋼的強韌性、抗疲勞斷裂等性能均有重要作用。目前應(yīng)用于工模具材料的高碳合金鋼分為兩種，一種為高碳低合金工模具鋼，另一種為高碳高合金工模具鋼。對于低合金鋼，當為了提高其耐磨性而增加合金含量使之成為高碳中合金鋼時，碳化物細化卻成為難題。而且，由于高碳中合金鋼的淬火殘余奧氏體量比高碳低合金鋼高得多，勢必要求更高的回火溫度，由此卻可能導(dǎo)致硬度下降。因此，國內(nèi)

2、外工模具鋼歷來缺少高碳中合金鋼品種?，F(xiàn)有的大多數(shù)高碳高合金鋼中由于碳化物數(shù)量多、分布密度大容易聚集長大，通過常規(guī)的鍛軋加工和熱處理工藝很難達到細化的目的，而通過復(fù)雜的鍛軋加工或熱處理工藝又會增加工藝上的困難，并消耗較多的能源，往往也很難達到理想的細化程度。因此，進一步研究超細碳化物高碳中，高合金鋼的合金設(shè)計方法，對于開發(fā)研制性能優(yōu)越的新型工模具鋼材料具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。 本文通過對高碳合金鋼的相平衡熱力學計算和實驗

3、結(jié)果分析，對超細碳化物高碳中、高合金鋼的合金設(shè)計進行了研究，提出了完整的合金設(shè)計方法。針對實際的工模具應(yīng)用開發(fā)出具有超細碳化物的DM7S高合金鋼和DM8B中合金鋼。 由高合金鋼的理論計算和實驗結(jié)果分析得出，Cr，W，Mo元素含量設(shè)計合理時，高合金鋼中的M<,6>C的數(shù)量增加，在一定程度上抑制M<,23>C<,6>和M<,7>C<,3>碳化物以使退火碳化物均勻細化。由于MC碳化物是淬火未溶碳化物細化的關(guān)鍵，為了避免共晶MC碳化物的

4、出現(xiàn)，應(yīng)控制V含量。通過亞穩(wěn)定平衡計算得到高合金鋼在回火過程中存在的穩(wěn)定碳化物相為M<,23>C<,6>，MC和M<,6>C，亞穩(wěn)定碳化物相為M<,7>C<,3>，M<,3>C滲碳體和M<,2>C(HCP)。亞穩(wěn)定平衡計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。 中合金鋼實際熱處理過程偏離平衡態(tài)，需對相平衡熱力學計算結(jié)果進行修正。中合金鋼退火碳化物的細化較之高合金鋼更為重要。鋼中Cr/(W+2Mo)值越小，M<,6>C碳化物數(shù)量越大，M<,6>

5、C，MC和M<,23>C<,6>碳化物數(shù)量搭配合適才有利于碳化物細化。因此可以通過相平衡熱力學計算推測M<,6>C碳化物的數(shù)量，進而對合金成分進行調(diào)整控制，以得到碳化物細化的中合金鋼。 建立了高Cr，低W、Mo的高合金鋼的平衡碳計算公式，提出Cp=0.016W+0.063Mo+0.099Cr+0.19V，二次硬化的回火硬度的計算公式為H<,c>=α(1+b)/(0.0127α+0.00267)，其中α為基體碳飽和度，b為碳化物沉

6、淀量的修正因子。提出淬火硬度計算公式HRc=α(1+β)/0.00915α+0.00586，α為基體中含C量的平方根，β為基體中合金元素固溶強化對馬氏體硬度影響的修正系數(shù)，此公式隱含著洛氏硬度測定和馬氏體強化機理的對應(yīng)關(guān)系，對其它鋼種也適用。 研制開發(fā)出具有超細碳化物的DM7S高合金鋼。DM7S高合金鋼退火碳化物類型為M<,23>C<,6>，M<,6>C和MC，退火碳化物顆粒的平均尺寸為0.42ktm．，淬火未溶碳化物類型為M<

7、,6>C和MC，未溶碳化物顆粒的平均尺寸為0.485μm。二次硬化硬度HRC62.8，同時具有優(yōu)良的綜合機械性能。其組織結(jié)構(gòu)特征和性能與合金設(shè)計計算預(yù)測的結(jié)果相符。 研制開發(fā)出具有超細碳化物的DM8B中合金鋼。DM8B中合金鋼退火碳化物由M<,23>C<,6>，M<,6>C， MC三種類型組成。退火碳化物尺寸主要分布在0.2～0.5μm范圍內(nèi)，淬火未溶碳化物類型為M<,23>C<,6>，M<,6>C和MC，平均尺寸為0.33μm