合金元素在模具钢材中的作用

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   众所周知，占钢总产量80％左右的碳素钢，是基本的工业用钢。它种类齐全，生产简单，价格低廉，通过不同的热处理后，可获得不同的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差，耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且，工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等，这类钢就统称为合金钢。模具钢材是合金钢中的一种。
㈠.碳素钢用途的局限性
" I1 S5 C$ \. y# L( \⑴淬透性低
8 v  x/ O# m3 |/ u% J& R: Q! W一般情况下，碳钢淬火要求水冷，它水淬的最大淬透直径为15～20mm，因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。
⑵强度和屈强比较低
7 K* `; y8 p9 N& q3 W* i强度低使工程结构和设备笨重。A3钢的σs≥240MPa，而低合金结构钢16Mn的σs≥360MPa。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的σs／σb为0.43，而合金钢35CrNi3Mo 的σs／σb可达0.74。
9 ?0 l9 N2 y  q* \5 O( V: q⑶回火稳定性差
由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时,韧性又偏低；为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。
⑷不能满足某些特殊性能的要求
" [: a; A; m7 i7 X* Q1 p+ j' F, _碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。
, \) ?* [- P$ z为了解决上述问题，在碳钢中特意加入合金元素，以弥补以上不足之处。
* y. z+ O  y1 ~㈡.合金元素在模具钢材中的作用
4 l3 I5 P6 M+ ~' W合金元素在模具钢材中的作用非常复杂，到目前为止对它的认识还很不全面。
下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响规律。
⒈合金元素与铁和碳的作用
合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物（如
氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等）中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。
⑴溶入铁中
5 I. f( h$ m: b- ?几乎所有合金元素（除Pb外）都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对α?Fe或γ?Fe的作用，可将它们分为两大类。
0 N& y1 Z$ Y4 o- e. S: p( {; B' A" Z①扩大γ相区元素 亦称奥氏体稳定化元素，主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等。
它们使相图中N 点下降，G点上升，从而扩大γ相的存在范围。其中Ni、Mn等元素加入到一定量后，可使G点降到室温以下，使α相完全消失，它们称为完全扩大γ区的元素。另外一些元素如C、N和Cu等，虽扩大γ相区，但不能将其扩大到室温，所以它们称为部分扩大γ区的元素。
& c0 q* Z) ?$ U+ u3 y1 q( _* V4 t②缩小γ相区元素 亦称F稳定化元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等。它们使G点上升，N点下降（Cr 例外， Cr含量小于7％时，G点下降；大于7％后G点迅速上升），从而缩小γ相存在范围，使F 稳定区域扩大。其中Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等元素超过一定含量时，G点与N点重合，使γ相区被封闭，这时合金在固态范围内一直处于单相α相状态，它们称为完全封闭γ区的元素。另外一些元素，如B、Nb、Zr等，虽然也使γ相区温度范围缩小，但不能使其封闭，称为部分缩小γ区的元素。
0 O, o* [8 @; A7 {! S, {上述元素中，只有C、N、B与铁形成间隙固溶体，其它均与铁形成置换固溶体。
/ x3 s( U! n6 `5 y9 C, G) [% T. l⑵形成碳化物
( [& u0 g9 ?1 n6 @合金元素按其与钢中碳亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。
$ z2 [7 y0 w3 w①常用非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B等。它们不与碳形成化合物，除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于F 和A 中。
3 d! z: e  P) x& Q②常用碳化物形成元素有：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列）。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。Mn与碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于F或A中。与碳的亲和力较强的Cr、Mo、W等，含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体；含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素V、Ti、Nb、Zr等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一部分强碳化物形成元素会溶于F或A中。
合金渗碳体是部分铁原子被碳化物形成元素置换后的渗碳体，如(Fe, Cr)3 C、(Fe, Mn)3 C等，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定些，硬度也略高些，这对提高钢的耐磨性更有利。
. ?  @+ z5 V7 `5 E4 y2 C9 n合金碳化物Mn 3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe 3W 3 C等，比合金渗碳体的稳定性更高，而特殊碳化物Mo2C、W2C、VC、TiC等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物，其熔点和硬度也愈高，加热时也愈难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。
⒉合金元素对铁碳相图的影响
5 t% t" d: |$ d5 L1 f! P& E合金元素对铁碳相图的影响,与对纯铁的影响类似，但更复杂一些、影响主要分两方面：
7 O) B& l" X8 w% M  d% h⑴对A和F存在范围的影响
①扩大γ相区元素均扩大铁碳相图中A存在的区域，其中完全扩大γ区的元素Ni或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相A组织，例如1Cr18Ni9高镍A不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。
②缩小γ相区元素均缩小铁碳相图中A存在的区域，其中完全封闭γ区的元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相F组织，例如1Cr17Ti高铬F不锈钢等。
$ Q" Q& o% T1 Q# ]  Q⑵对铁碳相图临界点（S点和E点）的影响
7 u* |- t0 {1 C# A①扩大γ相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。
②缩小γ相区的元素则使其上升并都使共析反应在二个温度范围内进行。合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。S点及E点的左移，使合金钢的平衡组织发生变化（不能完全用铁碳相图来分析）。例如，含0.3％C的3Cr2W8V热模具钢已为过共析钢，而碳含量不超过1.0％的W18Cr4V高速钢，在铸态下已具有莱氏体组织。