我国大量使用的热强
模具材料大多数为马氏体型
热作模具钢。这类钢在常温下有较高强度、硬度。
但当热作模具在较高温度下工作时,由于已达到或超过模具本身的回火温度,其内部组织将发生变化,碳化物开始聚集长大,二次硬化效应逐渐消失,高温硬度急剧下降,模具寿命降低。随着新的热加工工艺的出现,热作模具的工作温度更高,工况条件更苛刻,马氏体型热模钢已不能满足要求。为此,国外研究开发了奥氏体热作模具钢。我国从80年代也开始对其进行研究,已见报道的有华中理工大学研制的5Ni10Cr8Mn8W2Mo2V2Nb[1],实践表明,这种以沉
淀强化的奥氏体钢制作高温热作模具,是解决模具高温软化变形、提高模具寿命的一条可行的途径。然而,一般奥氏体热模钢,尤其是高锰的奥氏体热模钢在固溶时效后,碳化物容易沿晶界析出并聚集长大,因而晶界易于富集过多的碳化物,晶界变粗,出现沿晶脆性断裂,致使奥氏体热模钢的使用受到限制。北鼎模具钢
而我所研究的AM奥氏体热作模具钢,其主要特点是在钢中加入了
合金元素铜(2%),由于铜的加入,钢的强度和韧性均有提高,AM钢的晶界比不含铜的细小,碳化物在晶界上的析出量也很少。因此,弄清含铜奥氏体热模钢中的碳化物种类及析出规律别是对时效组织的影响,对进一步研究和开发奥氏体热模钢具有重要意义。
2 AM钢的成分特点 AM钢以奥氏体为基体,主要以Mn、C等作为
奥氏体形成元素,加入V、Cr、Ni、Si、Cu等元素,通过它们的相互作用形成不同
晶体结构的高硬度、高熔点的碳化物相以及金属间化合物,既沉淀强化,又抑制晶粒粗化,以获得抗高温氧化和强韧化效果。与同类奥氏体热作模具钢相比,添加2%Cu是其合金化的显著特点。经过多次筛选,确定综合性能较优的5Mn15Cr12Ni2V2Cu2Si(AM)为基本钢种。为了重点研究铜对钢组织性能的影响,专门进行了有无铜元素的对比试验。试验结果表明,铜的适量加入未引起冶炼及锻压方面的困难;在相同的工艺条件下,铜的加入使AM钢的高温硬度及韧性有明显的提高
这样反复进行,就得到了弥散度很高的VC。但是当时效温度较高时,位错将重新排列与对消,使位错数量减少,从而影响析出效果。此时,铜在AM钢中的作用不容忽视,据文献[2、3]介绍,在Fe21%Cu和Fe2Mo2Cu2C系合金脱溶沉淀的过程中观察到铜优先在位错线上生核长大的情况,而先析出的铜相与随后析出的碳化物互不相容。这样,由于铜析出速度较快,阻止了位错线的重新排列与对消,从而使析出过程始终保持数量较多的位错,使碳化物析出更快更弥散。在AM钢中虽未发现铜相析出,但似乎可以这样推测:铜原子在位错处偏聚,对位错产生一定的“钉扎”作用,使位错运动受阻。同时,由于铜在位错附近偏聚,因而产生了一定数量的层错,使VC的形核位置增多。因此AM钢可以获得更为细小弥散的VC。3.4
碳化物的析出与长大
当子相与母相的晶体结构相近时,晶内析出处于有利的位置,所以与母相r2Fe晶体结构相近的VC,绝大多数在晶内析出,而Cr23C6由于与母相的晶体结构相差较大,更倾向于晶界、孪晶界和位错等缺陷处析出。应该指出,Cr23C6不在层错处析出。因为VC与母相Χ2Fe晶体结构相近,与Χ2Fe的相界面共格,其位向关系为{111}VC∥{111}Χ2Fe、(101)VC∥(101)Χ2Fe,所以相界面上的原子之间要求严格匹配,只有界面上的原子排列次序发生变化才会使其移动,因此这种界面的移动速度必然比非共格结构的Cr23C6界面的移动速度要小得多,所以VC颗粒的长大倾向比Cr23C6亦要小得多。VC是一种高稳定性的具有简单立方点阵结构的间隙相碳化物,本身溶解温度较高,溶解速度也较慢,析出后在高温下长时间加热表现出良好的稳定性和较慢的长大速度。因此赋于该钢优异的高温强度、硬度,其热疲劳抗力和耐热磨损性能也有所提高。
