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    1. 撫順特殊鋼:硅對耐蝕塑料模具鋼力學性能的影響

      日期: 2021-11-26  來源:  點擊數:  

      【摘要】利用硬度、 沖擊和拉伸試驗機對兩種試驗鋼4Cr13Si和4Cr13進行了力學性能測試, 分析了硅元素對試驗鋼在不同熱處理溫度下的硬度、 韌性和強度的影響。研究表明,含硅的4Cr13Si鋼的高溫回火硬度高于4Cr13鋼, 而且4Cr13Si鋼在650℃的硬度仍可達到35HRC左右。由于鋼中添加大量的硅元素推遲了馬氏體的分解, 4Cr13Si鋼的沖擊韌性不及4Cr13鋼, 尤其在高于530℃的高溫回火后二者沖擊值差別明顯。試驗鋼的拉伸和屈服強度隨回火溫度的提高先升高后降低, 含硅的4Cr13Si鋼在試驗溫度范圍內拉伸強度和屈服強度均高于4Cr13鋼。


      關鍵詞硅;耐蝕塑料模具鋼;力學性能;影響


      1 引言


      耐蝕型塑料模具鋼主要以Cr13型馬氏體不銹鋼為主。由于Cr13型耐蝕塑料模具鋼有良好的力學性能、 耐腐蝕性、 拋光性等, 主要應用于含有揮發性腐蝕氣體的塑料制品模具上。4Cr13是可淬硬的馬氏體不銹鋼 [1~2] , 通過添加合金元素和熱處理的方式來優化和改良模具的使用性能。本文在4Cr13鋼中添加了1%左右的硅元素, 研究硅在4Cr13鋼中的作用及熱處理過程中各項力學性能的變化, 該研究結果為模具生產過程中熱處理工藝制定提供了一定的依據。


      2 試驗材料及方法


      2.1 試驗材料


      試驗材料的化學成分如表1所示, 兩種材料的冶煉工藝為:電爐冶煉, LF爐外精煉和VD真空脫氣, 電渣爐重熔鋼錠, WF-540精軋機軋制成材, 成品截面尺寸為90×305mm。

      2.2 試驗方法


      在鋼材端面截取15×20×20mm硬度試樣, 7×10×55mm 的無缺口沖擊試樣及 ? 10×120mm 的拉伸試樣。利用TH300型洛氏硬度計進行洛氏硬度檢測,ZBC-300型沖擊試驗機測試沖擊值, WDW3300型拉伸試驗機測試抗拉強度R m 、 屈服強度R p0.2 、 斷后伸長率A%、 斷面收縮率Z%。


      3 試驗結果及討論


      3.1 淬火、 回火硬度


      試驗鋼均在970℃~1,110℃溫度范圍內保溫后油冷, 測試試驗鋼的淬火硬度, 淬火溫度與硬度的關系曲線如圖1a所示。兩種試驗鋼從970℃~1,050℃隨著淬火溫度的提高硬度值明顯增加, 1,030℃~1,050℃硬度值最高可達53.0HRC以上。從1,050℃開始隨淬火溫度的升高硬度逐漸降低, 4Cr13鋼在1,050℃以后淬火硬度降速相對較快。


      選擇1,030℃淬火, 對試驗鋼進行回火處理, 回火溫度在200℃~650℃范圍內, 每個溫度下回火兩次。測試不同回火溫度下試驗鋼的硬度變化, 如圖1b所示。兩種試驗鋼在200℃~510℃回火硬度隨溫度的升高, 硬度稍緩下降后又升高。在510℃時硬度達到了峰值, 分別為50HRC和49.9HRC。隨溫度的繼續升高, 試驗鋼的硬度迅速降低, 從550℃開始4Cr13Si鋼硬度降低速度變的緩慢。當溫度達到 650℃時,4Cr13Si鋼的硬度仍可在35HRC左右, 而4Cr13鋼的硬度為30HRC左右, 從硬度變化來看, 硅元素提高了材料的抗回火性能 [3~4] 。


      3.2 沖擊性能


      同樣, 采用1,030℃淬火, 在200℃~650℃進行回火, 回火后進行沖擊測試, 觀察在不同回火溫度下兩種材料的沖擊值變化情況, 如圖2所示。在200℃~530℃回火時, 兩種材料的沖擊值差別不大, 沖擊值現緩慢升高再減小, 在 490℃同時達到了最小值。從490℃開始, 隨溫度的升高, 沖擊值急劇升高。從530℃以后兩種材料的沖擊值顯現出較大的差別, 在590℃差值最大, 此時4Cr13比4Cr13Si的沖擊值高出44J。4Cr13 鋼在不同回火溫度下的沖擊值均高于4Cr13Si鋼, 說明硅元素不同程度降低了鋼材的沖擊韌性 [5] , 尤其在高溫回火時沖擊韌性降低比較明顯。

      圖1 試驗鋼的硬度隨溫度的變化曲線

      a — —淬火硬度變化 b — —回火硬度變化


      圖2 試驗鋼的沖擊值隨回火溫度的變化


      圖3給出了兩個材料在490℃和590℃下的沖擊斷口形貌。對比來看, 490℃時兩種材料的斷口上均呈現出沿晶斷裂的形貌;在590℃時4Cr13鋼的斷口上有較多的韌窩, 而4Cr13Si鋼的幾乎不存在韌窩, 而且有沿晶開裂的形貌存在 [6] 。二者相同的熱處理制度下表現出不同的斷口形貌, 主要是由于硅元素為非碳化物形成元素, 但能夠溶解到ε-FexC中, 使ε-FexC穩定, 減緩了回火過程中碳化物的聚集, 推遲或抑制了馬氏體的分解 [7] 。

      圖3 試驗鋼在490℃和590℃回火時的沖擊斷口形貌

      a — —4Cr13Si鋼490℃回火斷口 b — —4Cr13Si鋼590℃回火斷口

      c — —4Cr13鋼490℃回火斷口 d — —4Cr13鋼590℃回火斷口


      3.3 拉伸性能


      圖4為試驗鋼在不同回火溫度下的拉伸性能各項指標的變化情況。圖4a為拉伸強度隨回火溫度的變化曲線, 在200℃~510℃時隨溫度的升高拉伸強度先降低后升高, 在510℃達到了最大值, 4Cr13Si鋼最大值為2,023MPa, 4Cr13鋼最大值為1,871MPa。隨著溫度的繼續升高, 其拉伸強度迅速下降, 下降的同時二者的強度差值越來越大, 在650℃時4Cr13Si的拉伸強度比4Cr13鋼高93MPa。圖4b所示為試驗鋼的屈服強度隨回火溫度的變化曲線。同樣, 在510℃時二者均存在一個峰值, 在峰值左側隨回火溫度的提高屈服強度逐漸增加, 在峰值右側隨回火溫度的提高屈服強度迅速降低。從570℃開始4Cr13Si鋼的降速變緩, 而4Cr13鋼降速仍然很快。整體來看, 鋼中添加了硅元素可提高抗拉強度和屈服強度。


      圖4c和圖4d所示為試驗鋼在不同回火溫度下的伸長率和斷面收縮率的變化曲線。鋼材的伸長率和斷面收縮率同時反映了鋼材的塑性的好壞, 伸長率和斷面收縮率越高, 其塑性越好。圖 4c 中伸長率在490℃~510℃出現了一個最低值, 此時4Cr13Si鋼的伸長率為7%, 4Cr13鋼的伸長率為7.5%。在570℃之后4Cr13Si鋼伸長率的增幅降低, 在610℃時與4Cr13拉開了較大的差距, 二者最大相差2.5%。圖4d中斷面收縮率在490℃出現了最低值, 在試驗溫度范圍內4Cr13的斷面收縮率均稍高于4Cr13Si鋼。


      圖5a和圖5c為4Cr13Si鋼和4Cr13鋼在510℃的斷口形貌, 二者均存在沿晶開裂的形態。圖5b和圖5d所示為4Cr13Si鋼和4Cr13鋼在610℃的斷口形貌,無沿晶開裂形態, 其中存在大量的韌窩, 韌窩中存在碳化物。主要是由于回火溫度的提高, 硬而脆的馬氏體開始分解成回火索氏體和碳化物, 韌性增加 [8~9] 。

      圖4 試驗鋼不同回火溫度下的拉伸性能各項指標變化

      a — —拉伸強度 b — —屈服強度 c — —伸長率 d — —斷面收縮率


      圖5 試驗鋼在510℃和610℃回火時的拉伸斷口形貌

      a — —4Cr13Si鋼510℃回火斷口 b — —4Cr13Si鋼610℃回火斷口

      c — —4Cr13鋼510℃回火斷口 d — —4Cr13鋼610℃回火斷口

      4 結論


      (1) 試驗鋼在不同溫度下回火時, 含硅的4Cr13Si鋼的高溫回火硬度高于4Cr13鋼, 4Cr13Si鋼在650℃的硬度仍可達到35HRC左右, 鋼中添加的硅可提高4Cr13鋼的回火抗性。

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