硅對耐蝕塑料模具鋼力學性能的影響

蔡 清，劉 明，馮淑玲，潘彥豐，趙長順

（撫順特殊鋼股份有限公司技術中心，遼寧撫順113001）

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Rm、屈服強度Rp0.2、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]。

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

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

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4 試驗鋼不同回火溫度下的拉伸性能各項指標變化

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5 試驗鋼在510℃和610℃回火時的拉伸斷口形貌

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。

（2）試驗鋼在不同回火溫度下的沖擊不隨溫度的提高呈線性增加。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530℃以后的高溫回火時二者沖擊值差別明顯。

（3）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。