熱鍛模堆焊用鐵基合金RMD248熱物理性能參數(shù)預(yù)測

滕樹滿

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西柳州 545002）

1 引言

模具是工業(yè)之母，如何提高大型、重載熱鍛模具的服役壽命成為當(dāng)下的研究重點[1]。為解決中、大型熱鍛模具服役時應(yīng)力場、溫度場分布差異較大的局限，提升模具的壽命，研究者提出了熱鍛模具電弧增材分層差異化制造的思路，將鐵基合金、鈷基合金、鎳基高溫合金等按模具性能需求堆焊于不同區(qū)域，實現(xiàn)了熱鍛模具性能的“按需分配”[2]。

由于高強度、高韌性等優(yōu)勢，鐵基合金RMD248被廣泛應(yīng)用于模座等需要較高強度及韌性部位的堆焊制造[3]。但受限于實物實驗成本較高等因素，該合金的熱物理性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫仍不豐富，阻礙了工藝的進一步優(yōu)化。而應(yīng)用材料熱力學(xué)計算軟件Jmatpro可實現(xiàn)該合金的熱物理性能參數(shù)計算預(yù)測，豐富合金熱物理性能數(shù)據(jù)庫，為該合金堆焊工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)[4]。本文基于熱力學(xué)軟件JMatPro 7.0軟件對RMD248合金的熱物理性能參數(shù)進行了預(yù)測，獲得了該鐵基合金在不同溫度下的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、泊松比，楊氏模量等參數(shù)，并對該鐵基合金的平衡相圖等進行模擬分析，為合金的堆焊及焊后熱處理工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)材料參數(shù)。

2 合金化學(xué)成分及平衡相計算

鐵基合金RMD248由重慶杰品科技股份公司提供，其成分如表1所示。將化學(xué)成分輸入JMatPro軟件將根據(jù)熱力學(xué)原理算計算自動繪制RMD248合金的從0～1,600℃平衡相圖，如圖1、圖2所示。根據(jù)鐵基合金RMD248的平衡相圖可知，相圖共有9個相區(qū)，主要為液相區(qū)、奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)。該鐵基合金的奧氏體化臨界溫度Ac1=617.36℃，Ac3=782.31℃。當(dāng)加熱溫度達(dá)到1,477.85℃時鐵基合金完全熔化至液態(tài)，即液相線溫度；由液相線溫度降溫1,404.92℃時，鐵基合金發(fā)生完全固液相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體。

表1 鐵基焊材RMD248的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

為了研究該合金在室溫下的相組成，將圖1的平衡相圖左下角進行局部放大，得到如圖2所示的鐵基合金RMD248在室溫下的平衡相圖。據(jù)此可得，該合金在室溫下的相組成及組成含量分別為：鐵素體87.01%、M23C64.86%、Laves相3.1%、G相（一種關(guān)于Mn、Ni、Si、Cr等一類的金屬間化合物）2.9%、奧氏體2.04%、M3P0.0785%、MNS0.0109%。

圖1 鐵基合金RMD248在0～1,600℃平衡相圖平衡相圖

圖2 鐵基合金RMD248在中低溫下的平衡相圖

3 合金熱物理性能計算與分析

根據(jù)合金的化學(xué)成分計算合金在不同溫度下的性能，如圖3～圖6所示。

圖3 合金密度隨溫度變化關(guān)系圖

圖4 合金比熱容隨溫度變化關(guān)系圖

圖6 合金泊松比隨溫度變化關(guān)系圖

根據(jù)熱力學(xué)計算結(jié)果，鐵基合金RMD248的密度和楊氏模量與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在室溫時分別達(dá)到最大值7.82g/cm3與213.63GPa，而當(dāng)鐵合金熔化后兩數(shù)值均顯著降低。而鐵合金的熱導(dǎo)率與泊松比與溫度均呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，在室溫時兩物理量均有極小值，分別為18.61W/（m·K）與0.2886。此外，合金的4個物理量的變化趨勢均在610℃～800℃范圍內(nèi)發(fā)生了波動，這是由于在該溫度范圍內(nèi)鐵基合金RMD248中鐵素體發(fā)生較大程度的相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使材料的熱物理屬性產(chǎn)生顯著變化。

4 合金的CCT曲線熱力學(xué)計算及分析

使用JMatPro軟件計算得到如圖7所示的鐵基合金RMD248的CCT曲線，該曲線對合金的電弧增材和焊后熱處理工藝都具有重要的指導(dǎo)意義[5]。根據(jù)CCT圖可以看出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）為242.1℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時溫度為199.72℃和107.59℃;貝氏體（B）轉(zhuǎn)變溫度為316.66℃;珠光體（P）轉(zhuǎn)變溫度為592.8℃?？紤]到該合金主要應(yīng)用于熱鍛模具的電弧增材制造，應(yīng)保證一定的硬度，在焊后冷卻時的冷卻速度不應(yīng)低于10℃/s。

圖7 鐵基合金RMD248的CCT曲線

5 結(jié)論

基于軟件JMatPro7.0對鐵基合金RMD24的熱物理性能進行了熱力學(xué)計算與分析，獲得了該鐵基合金的平衡相圖，CCT曲線等基礎(chǔ)材料參數(shù)，以期為該合金的電弧增材及焊后熱處理工藝提供指導(dǎo)，結(jié)果如下：

（1）鐵基合金RMD248室溫時平衡組織為鐵素體+M23C6相+Laves相+G相+奧氏體+M3P+MNS。

（2）鐵基合金RMD248的熱物理性質(zhì)參數(shù)中，密度與楊氏模量與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，而比熱容與泊松比隨溫度呈正相關(guān)趨勢。

（3）根據(jù)鐵基合金RMD248的CCT相圖計算，合金的冷卻速度大于10℃/S時有馬氏體相析出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）為242.1℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時溫度為199.72℃和107.59℃;貝氏體（B）轉(zhuǎn)變溫度為316.66℃；珠光體（P）轉(zhuǎn)變溫度為592.8℃。