熱作工具鋼性能研究

柳松青（哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

熱作工具鋼性能研究

柳松青（哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

這種熱作工具鋼綜合性能較好，本文從成分與組織結構方面，給出了一定的分析，其含較少的昂貴合金元素，這就降低了材料的成本，為實際應用打下良好基礎。

熱作工具鋼；成分；性能

1 引言

本文研究的熱作工具鋼等向性（各向同性）要比一般傳統的工具鋼好，其組織純度高并且比較微細，這有利于提高材料的抗機械疲勞及熱應力疲勞性能。采用這種工具鋼的模具，其硬度比普通的高，并且不會犧牲韌性，硬度高可以減緩模具的熱龜裂發生。這種材料可用于各種金屬壓鑄模具，擠壓模具，高品質要求塑膠模具（如發動機模具，汽車車燈模具等）。

2 材料的化學成分

試驗研究的熱作工具鋼成分如表1，其余主要為鐵以及常規含量雜質。在淬硬和回火狀態下鋼的組織為細晶粒板條狀馬氏體或部分貝氏體，無殘余奧氏體，含有彌散分布的晶間碳化物沉淀相，其中主要的碳化物相是碳化釩。1號為試驗鋼，2、3號為對比研究鋼，4號為以前鋼種對比試樣。

表1 試驗鋼與對比鋼的化學成分（質量分數，%）

3 材料的制取

將試驗材料鍛造和軋制成厚度為20mm的扁鋼，然后，將扁鋼在870℃軟化退火6h，以8℃/h的速度控制冷卻到650℃，最后空冷到室溫。軟化退火鋼的組織全是鐵素體，并含不同數量和不同類型的碳化物，1號試驗鋼的主要碳化物相是球形碳化釩。

將軋制扁鋼制成試樣，并且在1050℃奧氏體化30min，然后將試樣在 820℃、770℃、720℃、670℃和620℃轉移到爐子里，保溫時間分別為 10、20、40、60、120min，等溫處理后，試樣在油中冷卻到室溫。淬硬性主要取決于碳和其他合金元素的含量，奧氏體晶粒度也具有一定的重要意義。除鈷之外，試驗材料中用的所有合金元素都阻止珠光體轉變。

4 材料的性能研究

在高溫下進行回火處理后得到的室溫硬度是用來對比抗回火性的良好尺度。為此，將軟化退火試樣由奧氏體溫度1050℃淬硬30min，淬入油中，然后在550℃和750℃之間兩次回火各1h，結果如圖1所示。

圖1 材料的硬度與回火溫度關系

從曲線來看，1號和2號鋼兩次回火后的硬度比較接近，回火溫度高于650℃時，3號鋼的硬度稍低于1號和2號鋼。在較低的溫度下，3號鋼的硬度較高。4號鋼與其他鋼號的曲線區別是，4號鋼在550～600℃回火后的硬度高于其他鋼號，在較高溫度退火后的硬度低于其他鋼號，其部分原因可能是該鋼的鉻含量較高，高鉻含量促進了回火時碳化鉻先于碳化釩析出。

在未回火狀態，1和2號鋼的硬度低于3和4號鋼，其原因是碳化物的穩定性較低，后兩種鋼的碳化物在奧氏體化時溶解得較快。在這些試驗鋼種之中，1和2號鋼在650℃以上溫度下抗回火性最好。

在室溫和500～800℃進行拉伸試驗。試樣在1060℃奧氏體化溫度下淬硬40min，然后淬入油中，并回火到48HRC硬度，拉伸試驗結果如圖2。

圖2所示，1和2號鋼的室溫和高溫屈服點差不多，4號鋼比其他屈服點低，1和2號鋼具有較高屈服點是由于在回火過程中合金成分加速彌散分布的碳化釩析出，有利于獲得良好的抗回火性，以及在高溫下獲得高的屈服強度，因為彌散分布的碳化釩能導致有效的和溫度穩定的彌散硬度。2號鋼的高溫強度最高，其鈷含量較高，鈷能改善高溫特性。

熱拉伸試驗時的斷面收縮率是衡量鋼的韌性或熱塑性的常用尺度，如圖3所示。

從曲線可以看出，3號鋼的斷面收縮率與其他鋼號有所不同，它在室溫和500℃、600℃時斷面收縮率較低。1號鋼在小于600℃時具有較好的斷面收縮率。在較高溫度區這些曲線匯合到一起，相互差別較小。3號鋼的熱塑性較差，是因為它的晶粒較粗，而晶粒粗可能是鋼的鉻和釩含量低造成的，結果是在奧氏體化時，大部分碳化物都溶解了，以致未留下碳化物起到晶粒長大抑制劑的作用。從塑性方面考慮，需要細的奧氏體晶粒，并且釩與鉬含量搭配對于晶粒長大有很大影響。

除4號鋼外，在任何試驗條件下都未得到珠光體組織；4號鋼形成珠光體。鋼在不形成珠光體組織時的最低冷卻速率是鑒定鋼的淬硬性的尺度。因此可以看出，1、2和3號鋼的淬硬性優于4號鋼。

5 結論

試驗鋼與對比研究鋼和以前鋼種進行對比。試驗鋼和對比研究鋼在650℃以上溫度下抗回火性最好，具有較高屈服點，有利于獲得良好的抗回火性，對比研究鋼的高溫強度最高，其鈷含量較高，鈷能改善高溫特性，但鈷是昂貴合金元素。試驗鋼在小于600℃時具有較好的斷面收縮率，熱塑性較好。從綜合性能來看，試驗鋼具有良好抗回火性、很高的高溫強度、優良的韌性以及較少的昂貴合金元素含量，因此，其可以作為一種良好性能的熱作工具鋼進行使用。

Research on Performance of Hot Tool Steel

LIU SongQing
（Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilong jiang China）

By com parison w ith other tool steels in the performance the hot tool steel has better overall performance and contains less expensive alloying elem ents.The com position and m icrostruc ture have been analysed.The reduced cost of materials is surely a good p reparation for p ractical app lication.

Hot tool steel；Composition；Performance

TG142.45;

B；

1006－9658（2010）03－2

2009－12－31

2009－176

柳松青（1961-），男，工程師，從事金屬材料研究