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具有粒狀碳化物的新型萊氏體鑄造模具鋼的組織與性能

時間:2017-9-30 14:08:00   來源:中國模具網   添加人:admin

  模具的精密成型是一種周期短,耗能、耗材低,經濟效益顯著的先進模具制造方式。自80年代以來在國内外得到了廣泛的應用。但對萊氏體型鑄造模具的研究及應用則較少,這是由于傳統萊氏體型鑄造模具鋼中共晶碳化物呈網絡狀分布,雖然具有很高的耐磨性,但其韌性極低,這個問題一直沒有得到解決。

  在新型萊氏體鑄造模具鋼熔煉過程中加入微量變質元素,能改善碳化物的形态和合金元素的偏析,配合熱處理使網狀碳化物轉化為粒狀均勻分布。從根本上解決了傳統Cr12類鋼精密成型模具強貨性低的問題,并對改善該類鋼鍛前碳化物形态具有指導意義。本文測試并分析了新型鑄造模具鋼的顯微組織及性能,并進行了現場應用試驗,這些工作為該新型鑄造模具鋼的應用奠定了基礎。

  1試驗材料及方法試驗用鋼的化學成分見表1.采用5~15kg中頻感應電爐,用不氧化法熔煉,當溫度達到1左右時插鋁脫氧出鋼,在包内加入多元複合變質劑進行變質處理,在砂型中鑄出寬50mm,厚度分别為15mm、25mm、35mm、45mm的階梯試樣,考察截面尺寸對碳化物形态的影響。鑄出125mmX1mmx25mm試樣,經1100~1130X:加熱3h,然後空冷至650X:等溫1h,再升溫至880X:,進行常規退火處理。鑄鋼和鍛鋼均加工成10mmX表1試驗用鋼的化學成分(1 10mmx55mm的沖擊試樣、10mmx20mmX1mm的三點彎曲試樣(疲勞裂紋擴展和斷裂初性)和10mmX1mmx20mm的磨損試樣,經過1020X:30mm,然後空冷基金項目:國家自然科學基金資助項目(59771003)淬火,20025(X:回火2h,對疲勞試樣和斷裂韌性試樣分别用線切割切出4mm和7mm的切口5H洛式硬度計測試硬度。沖宙韌性試驗在B 5型沖擊試驗機上進行,每個規程取3~5個試樣:在INSTRON1603電磁井振式阮頻疲勞機上進行斷裂韌性/<"u、疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展速率d/dN的測定,每個規程3個試樣。

  疲勞試驗的加載制度見表2試驗在室溫表2疲勞試驗加栽制度大氣中進行,環境的相對濕度為4U~50c Table用放大40倍的顯微鏡在疲勞裂紋擴展過程中連續觀察裂紋的擴展長度,取試樣兩側表面擴載荷類a平均軟荷值荷比喊串展長度的平均值,作出裂紋擴展長度與載荷循裂紋擴環次數々N,曲線,并采用7點遞增多項式數據處理标準Pormin程序計算AK和da/dN,在雙對數坐标上作出(da/dV)-A/C曲線,并拟合Paris公式計算出擴展常數c、m值;按GB6398-86采用逐級降載法測出疲勞裂紋擴展門檻值磨損試驗在M200型滑動磨損試驗機上進行,采用硬質合金作對磨輪(045mmx條件,轉速為400r/min.試樣每磨損30min稱S―次,重量損失采用精度為0.0001g的光學天平稱1.取4次磨損損失的平均結果,并以鍛逢Cr12類(I-n級偏析)為基準來衡量相對酎磨性=試驗材料失重/〖2類鋼失重)a用幻70.5光學顯微鏡觀察碳化物系态,用H-800透射電鏡(操怍電壓150kV,分辨率0.4nm)觀察微觀組織,在D/max-rX射線衍射儀上進行結構分析2試驗結果及分析2.1碳化物形态所示為各種狀态的萊氏體鋼中碳化物的形态可兕,傳統萊氏體鑄鋼中共晶碳化物非常m定,即使經1150X:高溫熱處理,仍呈網狀分布(圖la〉。新型萊氏體鑄鋼經變質處理後4在該類鋼允許的熱處理溫度100―1130X:下,碳化物沿原枝晶呈粒狀均勻分布(圖lb)。在鍛鋼中,随偏析減少。碳化物趨幹細小且分布均勻。新型萊氏體濤鋼中碳化物形态與鍛造a 12類鋼(i-iv級偏析)相近,但其碳化物更加圓整,且無鍛鋼的帶狀偏聚現象a 2.2截面尺寸對碳化物形态的彩響m2示出截面尺寸對新型萊氏本鑄鋼碳化物形态的影響可見。在不同截面尺寸下,碳化物均呈粒狀均勻分布,随着截面尺寸的縮小,碳化物形态變好。這是因為随著截面尺寸的增加。凝固冷卻速度降低,凝固組織中共晶碳化物變得更加粗大。使得熱處理粒化後的碳化物形态随之變差。

  2.3新型菜氏體鑄鋼的顯微組織囝3和囝4分别為新型萊氏體鑄鋼的基體組織和碳化物的透射電鏡照片。通過T£M觀察和X射線結構分析發現,新型萊氏體濤鋼的基體組織中大多數為含有位錯亞結構的高強韌性的扳條馬氏體,并含有少世孿晶馬氏體和殘留氏體。碳化物分為一次碳化物和二次碳化物。一次碳化物為原共晶碳化物,粒化後比較粗大,分布在原奧氏體枝晶間;二次碳化物是在高溫保溫過程中析出的,尺寸較小,分布于晶内,經衍射标定均為型碳化物c(d)标定2.4新型萊氏體鑄造模具鋼的性能表3示出了各種模具鋼的力學性能和耐磨性。試驗結果表明:由于碳化物的粒化,新型鑄造模具鋼比具有網狀碳化物的傳統鑄造模具鋼的沖擊禚性明顯提高,且已達到鍛造12類鋼沖擊韌性的下限值,其斷裂韌性及疲勞裂紋擴展抗力也明顯高于傳統鑄造模具鋼和鍛造Cr12類鋼。可見,該新型模具鋼具有較高的強禚性。同時,其耐磨性高于同樣硬度下的傳統鑄造模具鋼和鍛造12類鋼,保證了該新型鑄造模具鋼的高耐磨性。

  表3各種橫具铟的性能對比鋼種碳化物形态疲勞擴展常數耐磨性(150失重/mg新型鑄造模具鋼粒狀傳統鑄造模具鋼網狀12類鍛鋼3現場應用試驗為了驗證新型鑄造模具鋼的強性和耐磨性能否滿足實用工模具的工況條件要求,本文作者在江蘇省武進鍊條廠選擇了24A内鍊闆闆孔修孔拉刀作為實用工模具。利用這種拉刀的刃口對硬度為HRC43~51的鍊闆闆孔進行修整,由于刃口的存在和被加工工件的高硬度,對拉刀的強禚性和耐磨性均提出了較高的要求。采用金屬型覆砂鑄出025mmx150mm的坯料,經共晶碳化物粒化退火工藝,加工成020mmx 132mm的拉刀,熱處理工藝采用1 020X:淬火、200X:回火2次,終硬度為HRC61.5,與M2高速鋼拉刀的硬度HRC62.5相近。

  試驗結果表明:該廠原有的M2高速鋼拉刀在拉制鍊闆内孔時,拉到300kg左右(4 500~5000次),拉刀就已超差不能使用;而新型鑄造模具鋼拉刀可拉到450kg左右(7 0007500次),才超差失效,其使用壽命是M2鋼拉刀的1.5倍。觀察兩種拉刀的磨損表面可發現,原M2鋼拉刀表面有毛刺出現,而新型鑄造模具鋼拉刀表面無毛刺,且無崩刃現象。傳統萊氏體鋼拉刀拉到100kg左右就發生崩刃而不能使用。可證明該新型萊氏體鑄造模具鋼具有高的耐磨性和強禚性,可滿足工模具的性能要4分析與結論碳化物形态是影響鋼鐵材料性能的主要因素,特别是對萊氏體鋼,網狀碳化物的存在不僅降低鋼的整體強钿性,而且易于萌生裂紋,并為裂紋擴展提供低能量通道。這決定了傳統萊氏體鑄造模具鋼具有很低的強禚性,限制了其廣泛的應用。新型萊氏體鑄造模具鋼在韌性的闆條馬氏體基體上分布着粒狀(Fe、Cr)7C3型碳化物,保證了該鋼具有高的耐磨性;而且碳化物顆粒圓整、分布均勻亦使鋼的整體強禚性得到提高,且對裂紋的萌生和擴展具有高的抗力。因此,新型萊氏體鑄造模具鋼有高的強初性。

  通過向熔煉過程中的新型鑄造模具鋼中加入微量變質元素進行變質處理,可改善其凝固組織中碳化物的形态和合金元素的偏析,配合熱處理在非鍛造條件下獲得具有粒狀均勻分布的碳化物形态。

  變質處理改善碳化物形态受截面尺寸的影響,随着截面尺寸的增加,凝固冷卻速度将降低,凝固時間增加,變質效果降低,同時粗大的碳化物也阻礙碳化物形态的改善。因此使碳化物形态相對變差,直接影響該新型模具鋼在大、中型模具上的應用。冷作模具的工況特點決定其一般具有較高的強度,受力僅局限于工作表面極小的範圍内。通過精密鑄造表面急冷作用,可在模具工作表面一定的範圍内得到良好的粒化組織,足以保證大、中型模具對顯微組織的要求。

  現場應用表明,新型鑄造模具鋼由于碳化物的粒化,強韌性明顯提高,消除了傳統萊氏體鑄鋼在使用中由于強韌性低出現的崩刃現象。由于采用對強韌性和耐磨性要求較高的拉刀做為實際工模具,可滿足大多數工況下對模具的使用要求,具有廣闊的應用前景。

  新型萊氏體鑄造模具鋼基體組織以位錯馬氏體為主,含少量孿晶馬氏體和殘留奧氏體;碳化物為(Fe、Cr)7C3型,一次碳化物沿枝晶間呈粒狀均勻分布,并在晶内析出大量二次碳化物。

  新型萊氏體鑄造模具鋼具有高的強韌性,其沖擊初性明顯高于傳統萊氏體鑄鋼,接近鍛造類鋼Cr12的下限值;其斷裂韌性和疲勞裂紋擴展抗力明顯高于傳統萊氏體鑄鋼和鍛造Cr12類鋼,且具有高的耐磨性。

  用新型萊氏體鑄造模具鋼制作鍊闆高耐磨修孔拉刀,其壽命是鍛造M2高速鋼的1.5倍,且無崩刃現象,證明該新型鑄造模具鋼可滿足大多數工況下對模具的使用要求。

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