合金元素對冷作模具鋼淬回火硬度的影響

藤松 威史·橫井 大円·辻井 信博

于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105）

1 引言

近年來，隨著塑性加工技術(shù)的不斷進步，大力倡導(dǎo)精品模具，近終形產(chǎn)品，用于制造螺栓、汽車部件等的精細冷沖模材料由于硬度不足造成尺寸精度下降的問題屢見不鮮。通過塑性變形均勻使組織均勻化的同時，還要具有必要的強度和硬度。通過精細加工，對模具材料保持高度的尺寸精度、抵抗磨損消耗的要求越來越高，高的強度和耐磨性是模具材料的最基本要求，具有代表性的冷作模具鋼SKD11淬回火硬度可以達到60HRC以上，以滿足使用要求。從SKH51高速工具鋼到SKS3合金工具鋼都有淬回火硬度要求，高速鋼系列普遍要求高溫淬火（≥1,423K），而合金工具鋼SKS3耐磨性略低，一般經(jīng)高溫回火產(chǎn)生二次硬化效果，通常需要經(jīng)過673K以上PVD及滲氮表面處理。大力開發(fā)新型冷作模具鋼，具有高速鋼的硬度同時兼顧韌性配合是冷作模具鋼的發(fā)展趨勢。高速鋼與SKD11相比，需要較高的淬火溫度，使用范圍具有局限性。

綜上所述，高性能冷作模具鋼開發(fā)的關(guān)鍵點：①具有高速鋼系列的高硬度（≥64HRC）；②可以進行表面硬化處理（經(jīng)2次高溫回火）；③經(jīng)與廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼具有等同的熱處理條件（1,303～1,323K）后，可以得到良好的硬度。本研究旨在采用與廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼經(jīng)同等的淬回火工藝，通過成分計，合理的合金元素配比，開發(fā)淬回火硬度不小于64HRC的新型冷作模具鋼。

2 Ms點、γR及合金元素的影響

2.1 實驗方法

被稱作影響冷作模具鋼淬回火硬度的主要合金元素：C、Cr、Mo、V（4因子），成分設(shè)計：重量（%）：0.90%～1.10%C，5.00%～7.50%Cr，3.00%～5.00%Mo，0～0.50%V范圍設(shè)定。其他合金元素（Mn、Si、Ni等）適量。經(jīng)真空精煉爐澆注100kg的鋼錠進行實驗，在1,348K鍛造加工成直徑?30mm棒材，再經(jīng)1,143K退火處理。試料的奧氏體溫度（以下簡稱γ化溫度）采取廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼1,303K、1,323K兩個溫度保溫1.8ks，空冷淬火，對淬火硬度（以下，HQ），Ms點及γR進行測定。如圖1所示，測定冷卻時熱膨脹曲線的轉(zhuǎn)變點Ms點。在溫度773～873K保溫3.6ks后空冷，經(jīng)兩次回火，測定最高的淬回火硬度（以下HT），以上材料的生產(chǎn)及實驗過程如圖2所示。

圖1 本研究Ms溫度的定義

圖2 實驗過程

2.2 實驗結(jié)果及分析

（1）Ms溫度及合金元素的影響。

高硬度的冷作模具鋼成分設(shè)計、Ms點溫度及碳化物的控制是目前極為重要的課題。C、Cr、Mo、V是工模具鋼具有代表性的合金元素。碳溶于γ-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，具有面心立方結(jié)構(gòu)，為高溫相，強度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性良好，并且無磁性，具體力學(xué)性能與含碳量和晶粒大小有關(guān)。隨著碳含量的增加，Ms點降低，碳含量的增加，殘余奧氏體（以下，γR）增加，導(dǎo)致淬火硬度降低。Cr、Mo、V是強碳化物形成元素，有增加硬度、耐磨性的作用，Cr和Fe形成連續(xù)固溶體，與碳形成多種碳化物，增強耐磨性。Mo、V經(jīng)高溫回火特殊碳化物沉淀析出，彌散分布，實現(xiàn)二次硬化。眾所周知，Mo有降低Ms點的作用，但不甚顯著，Cr使Ms溫度下降，作用僅次于C、Mn，如果Cr以碳化物形式存在于奧氏體中，將相對減少奧氏體中Cr和C的濃度，反而使Ms點升高，所以真正對Ms點的升降具有決定作用的是淬火時Cr在奧氏體中的濃度。V對Ms點及淬火后的殘余奧氏體含量的影響也取決于它在鋼中的存在狀態(tài)，當(dāng)V固溶于奧氏體中時，降低Ms點，并增加殘余奧氏體含量，但若以碳化物微粒狀態(tài)存在時，將產(chǎn)生相反的結(jié)果。諸多的Ms計算公式進行了綜合考慮[1～3]。Lzumiyama對二元系平衡相圖中合金元素對Ms溫度的影響進行調(diào)查[4]，V對Ms點也有上升作用。而且，通過對高碳工具鋼的Ms溫度實測，與歷來采用的低合金鋼的Ms溫度計算公式存在很多分歧[1～7]。在這里，C、Cr、Mo、V與基體固溶，形成碳化物、奧氏體中實際存在的濃度都要充分考慮。

本研究以實驗測定為基礎(chǔ)，求得Ms點及相應(yīng)合金元素比例。如圖3所示，C、Mo的增加使Ms降低，特別是C的影響較明顯。這并不與歷來的Ms計算公式相悖。Cr、V在一定成分范圍內(nèi)使Ms點升高，在這里Cr、V以碳化物形式存在于奧氏體中，將相對減少奧氏體中的C、Cr、V的濃度，因而使Ms點升高。在這里合金元素的影響（重量%）對Ms溫度的綜合影響提出參數(shù)P，P值計算與歷來Ms計算公式一樣，合金元素對其影響呈線性分布。

圖3 合金元素變化對Ms溫度的影響

式中，C，Cr，Mo，V為熔煉分析。

（2）P值、Ms點及γR關(guān)系。

首先，如圖4所示，經(jīng)整理后三者關(guān)系示意圖。由圖可以看出：P值與Ms呈線性正比例關(guān)系，其線性方程式如式（2）所示。

圖4 合金元素變化對殘余奧氏體的影響

從圖4可以明顯看出，隨著Ms的增加，淬火狀態(tài)的γR降低。在這里，Ms點的上升與淬火狀態(tài)下馬氏體的變化相關(guān)。在高溫回火時，產(chǎn)生二次硬化，這種硬化作用是由于大量殘余奧氏體在回火后冷卻時轉(zhuǎn)變或分解而造成的，和釩、鉬等碳化物形成元素，在淬火后回火時，其特殊碳化物形成、沉淀析出、彌散分布所導(dǎo)致的二次硬化機理并不相同。

（2）淬回火硬度與P值。

其次，如圖5所示，經(jīng)整理后P值、HQ、HT關(guān)系示意圖。隨著P值的增加，γR減少，HQ單調(diào)增加，從實驗結(jié)果可以看出：P=-50左右有最大值。C對P值的影響最為顯著，高C區(qū)域（P值?。╇S著γR增加HQ減少，低C區(qū)域（P值大）馬氏體中固溶C含量減少造成HQ降低?？梢钥闯鯤T與P值有明顯的關(guān)系。但成分設(shè)計確保HQ＞63HRC時，HT≥64HRC的范圍；通過合金元素配比在滿足而HQ≥64HRC時，對于P值（P=-40～-70）的范圍，進行合理成分設(shè)計，穩(wěn)定控制HT≥64HRC。

圖5 合金元素對硬度的影響

3 淬回火硬度及P值

3.1 實驗方法

如上所述，由圖5可以看出，P值控制在-40～-70范圍內(nèi)可以得到不小于64HRC的淬回火硬度。這里，由圖4可知，HQ峰值時大約在P=-50左右，成分重量%約：0.90%～1.10%C，5.00%～8.00%Cr，3.00%～5.00%Mo，0.40～0.90%V的H1～H4鋼種的成分設(shè)計（見表1）。

表1 鋼的化學(xué)成分與P值 %

試驗材料的生產(chǎn)工藝如圖2所示，γ化溫度分別設(shè)定為：1,303K、1,313K、1,323K 3個溫度，開始測定HQ、HT、γR。如表2所示，采用電解析出，X射線測定碳化物。

表2 電解提取條件

3.2 實驗結(jié)果分析

（1）H1～H4鋼的硬度、Ms點及γR。

H1～H4鋼的HQ、HT、Ms點及γR如表3所示。在1,303K奧氏體化時，全部鋼種HT＜64HRC，1,323K奧氏體化時，全部鋼種達到HT≥64HRC。

表3 不同P值和奧氏體條件下鋼的性能

H2鋼與H3、H4鋼的差別變小，1,323K-1.8ks淬火時，所有鋼種可以達到幾乎相同的硬度。Ms點、γR及HQ與圖4、圖5測定值幾乎一致。然而，在1,303K保溫1.8ks淬火后，H1、H2與H3、H4相比HT低0.4～0.9個點，隨著淬火溫度增加H1、H2和H3、H4的HQ差異減少。

（2）碳化物的變化。

對1,303K淬火的H1、H2和H3、H4鋼產(chǎn)生的差異進行深入研究。如圖6所示，H1～H4鋼的淬火態(tài)X射線衍射結(jié)果分析。H1鋼在1,303K淬火時M23C6碳化物衍射峰值，與1,323K淬火時M23C6碳化物衍射峰值不同。

圖6 淬火態(tài)H1～H4鋼電解提取殘渣的X-射線衍射圖

H1鋼的M23C6碳化物是富含Cr的碳化物，在 1,323K奧氏體化時幾乎全部溶解；而M7C3（d=0.205nm）與M6C（d=0.213nm）碳化物衍射峰值接近。對于H1、H2鋼淬火溫度上升，M6C與M7C3碳化物峰值相比明顯偏低?？偨Y(jié)如下:H1、H2鋼高溫淬火，相對較多的M6C碳化物溶入馬氏體中，M6C碳化物是富含Mo的碳化物，H1、H2鋼在1,303K溫度Mo并沒有完全固溶。而對于H3、H4鋼，1,303K、1,323K溫度淬火時M6C、M7C3的衍射峰值確認存在，兩個溫度下M6C的固溶量差別較小。Mo為碳化物形成元素，高溫回火時析出細小的碳化物產(chǎn)生二次硬化效果，在1,303K溫度時，H1、H2及H3、H4鋼HT的差異，推斷是由于淬火時Mo的固溶量不同。

在H3、H4鋼中確認存在MC碳化物，MC碳化物是富含V的碳化物，硬度高（2,500～2,800HV），高溫淬火時固溶于基體[8～9]。如表1所示，H3、H4鋼添加合金元素V較多，應(yīng)該是基體固溶后過剩的V形成MC型一次碳化物。

4 P值的冶金學(xué)意義

4.1 合金元素在基體中固溶量的預(yù)測

P值是衡量高C-Cr-Mo-V系工具鋼中化學(xué)元素與Ms點密切相關(guān)的重要因素，是有效設(shè)計Ms、γR及HQ的參數(shù)指標(biāo)。并且，淬火狀態(tài)下馬氏體中合金元素的含量與P值的關(guān)系進行討論。H1～H4鋼淬火狀態(tài)材料的ICP進行分析，式（3）基體中合金元素含量計算：

基體中合金元素含量=熔煉分析-ICP分析值（3）

運用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫Chemsage計算H1～H4鋼的1,303K、1,323K的基體（γ相）的平衡組織，對基體中合金元素的含量進行比較，ICP分析與實測值比較。從圖7可以看出，V的實測值與計算值近乎一致。V的添加量（參照表1）比照固溶于基體V的含量差別不大于25～53%，剩余的V多數(shù)形成一次碳化物。而且，可以看出在圖7b 1,313K、圖7c 1,323K時，基體中Cr的計算值與實測值趨勢相似。Mo的實測值與計算值偏離較大。此外，在圖7a 1,303K溫度時，H1鋼（P=-44.3）,H2鋼（P=-51.0）的Cr、Mo固溶含量的實測值比計算值略低。X射線的衍射結(jié)果（見圖6）基本一致。而且，H2鋼的Cr含量的實測值與計算值產(chǎn)生偏離，用X射線的衍射結(jié)果很難作出符合性說明。 但是，無論哪個方面，1,303K溫度下長時間保溫，計算所得的γ相的平衡組織組成與理論預(yù)測一致。ICP中C的定量分析較為困難，Chemsage預(yù)測值C量存在0.4～0.6mass%偏差。SKH51和SKD11淬火狀態(tài)固溶C量約有0.5mass%左右偏差，可以作為近似值參考。

圖7 γ相中合金元素的測量與計算的比較

4.2 P值與基體中合金元素固溶量的關(guān)系

在一定的奧氏體溫度下，采用熱力學(xué)數(shù)據(jù)模型可以推斷淬火態(tài)基體的組成相。本文在12種試驗料中選取8種代表鋼種，采用Chemsage模型分別在1,303K、1,323K對基體（γ相）的平衡組織進行測試。如圖8所示，γ中合金元素的固溶量（計算值）與P值關(guān)系。圖8中以各合金元素總量占γ相總量的重量百分數(shù)計。由圖8可以看出，隨著P值的增加，基體中C固溶量降低。另外，在P值一定范圍內(nèi)，隨著P值的增加，固溶Mo含量降低。Cr、V的固溶量隨著P值的增加單調(diào)增加。

圖8 1,323K時γ相中合金元素的平衡量

在這里C、Mo的固溶量與P值呈反比例，而Cr、Mo的固溶量與P值呈正比例，從P值的計算公式（①式）各元素前置符號可以明顯反應(yīng)出來。C含量的降低使Ms點上升，P值的增加γR降低，HQ增加。高溫回火時，Mo、V析出細微碳化物起到了二次硬化作用，也是淬火時合金元素的充分固溶的結(jié)果。P=-40～-70的范圍內(nèi)，對于H1～H4鋼，使得HQ≥64HRC時，基體中C充分固溶，Mo、V的最佳配比，在高溫回火時起到了良好的二次硬化效果，得到較高的HQ值。

4.3 Ms點與P值關(guān)系

Ms點與奧氏體成分組成有著密切的關(guān)系，由各個合金元素的組成計算Ms點的計算方法很多。然而，對于Ms點的計算，在合金元素完全固溶于基體的前提下，高碳合金工具鋼碳及合金元素全部固溶，形成復(fù)雜的碳化物的情況下Ms點的預(yù)測難度較大。若干Ms點的計算公式中，Andrews公式（直線式）[3]及Steven和Haynes[2]公式，對于低合金鋼、高合金鋼的Ms點的預(yù)測起到了一定的作用。然而，Steven和Haynes公式中V的作用應(yīng)該追加考慮。有關(guān)Ms點計算如表4所示。

本文適用于C-Cr-Mo-V系工具鋼，充分考慮基體γ相的組成及配比關(guān)系對Ms點的影響。在1,323K的γ相平衡組織中（以γ相為100%的C、Cr、Mo、V、Si及Mn的固溶量），采用Chemsage計算，如表4所示，計算得出Ms點，與P值的關(guān)系。圖9所示Ms點與P值關(guān)系。圖9所示為線性回歸式得出Ms值和各個理論計算值比較，P值與Ms值呈線性遞增。圖8所示為P值的變化與基體中合金元素固溶量的變化關(guān)系，在各個合金元素的綜合作用下，對P值產(chǎn)生了一定的影響。Ms點的計算值與理論值有較大差別。本文中，運用熱膨脹曲線溫度拐點實測Ms值，所以存在一定的差別。

表4 Ms溫度計算經(jīng)驗公式 %

圖9 計算Ms溫度與實際Ms溫度的比較

以上，P值與Ms點有著密切的關(guān)系。冶金學(xué)上來講，P值與基體中合金元素的固溶量相關(guān)，即Ms點是各個合金元素的作用的綜合結(jié)果。本文適用于高C-Cr-Mo-V系列工具鋼，本研究Ms點從熔煉成分分析入手，計算P值。在今后，高耐磨性、高強韌性的高性能冷作模具鋼的研發(fā)，兼顧碳化物的形態(tài)、分布，有必要對合金元素的含量及配比進行預(yù)測，進行深入研究。

5 結(jié)束語

通過冷作模具鋼的淬回火硬度及C、Cr、Mo、V含量的影響分析，概況有以下幾點：

（1）對于本系列冷作工具鋼的Ms點，γR、HQ及P值關(guān)系如下：Pvalue=-137.50C+10.50Cr-8.75Mo+77.50V（mass%）

（熔 煉 分 析：[C]=0.90～1.10% [Cr]=5.00～8.00% [Mo]=3.00～5.00% [V]=0～0.90%）

（2）P與Ms點呈線性遞增關(guān)系，同時γR降低。HQ的最大值發(fā)生在P=-50左右，隨后有減少傾向。

Ms（K）=445.74+1.03P

（3）在P=-40～-70的范圍內(nèi)進行成分設(shè)計，基體中適宜的C含量，可以得到高的HQ值，高溫回火時二次硬化效果顯著的Mo、V碳化物析出效果良好，可以得到64HRC以上的HT值。

（4）通過成分設(shè)計，合金元素合理配比，使P=-50左右，淬火溫度1,323K時，保證廣泛應(yīng)用工模具鋼HT≥64HRC。