合金模具钢中加入合金元素的目的及作用一合金模具钢中为什么加入大量的合金元素?都加入哪些合金元素?加入大量的合金元素可以改善模具钢原有的性能譬如改善强韧性、增加淬透性、增加耐磨与耐蚀性、提高热稳定性、改善切削加工工艺性等,使模具钢更能满足模具的使用要求。

 

  一、合金模具钢中所加的合金元素有:

 

  ①第二周期B、C、N;

 

  ②第三周期Si、Al、P、S;

 

  ③第四周期V、Cr、Ti、Mn、Co、Ni、Cu;

 

  ④第五周期Y、Zr、Nb、Mo;

 

  ⑤第六周期La族、Ta、W。

 

  依据合金元素与C的亲和力的大小,合金模具钢中加入的合金元素可分为四类:

 

  ①强碳化物形成元素,如Ti、Zr、Nb、V;

 

  ②中强碳化物形成元素,如W、Mo、Cr;

 

  ③弱碳化物形成元素,如Mn;

 

  ④非碳化物形成元素,如Ni、Si、Al、Co、Cu、P、S、N.

 

  二、合金模具钢中加入合金元素的目的是什么?

 

  合金模具钢实质上是在优质或高级优质碳钢的基础上加入合金元素形成的。加入合金元素的目的有这些:

 

  ⒈提高模具钢的淬透性,增加模具钢的硬化层深度;

 

  ⒉形成大量的合金碳化物,作为模具钢中的强化相,增加模具钢的强度、硬度与耐磨性;

 

  ⒊细化晶粒,提高模具钢的强度与韧性;

 

  ⒋固溶于基体组织中,起固溶强化作用;

 

  ⒌脱溶于基体组织,起沉淀强化作用;

 

  ⒍消除或降低模具钢的回火脆性;

 

  ⒎固溶于基体组织中,提高模具钢的热稳定性和回火稳定性;

 

  ⒏改善模具钢的耐蚀性及抗高温氧化性;

 

  ⒐降低模具钢的淬火变形,保持钢件的尺寸稳定;

 

  ⒑改善切削加工工艺性。

 

  三、合金模具钢的合金元素主要起什么作用?合金元素所起的作用有以下几个方面。

 

  ⒈对临界点的影响

 

  Mn、Co、Ni、C、Cu、N等元素合A3温度下降,A4温度升高;V、Cr、Ti、Mo、W、Al、P、Sn、Sb、As、B、Zr、Nb、Ta、S、Ce等元素使A3温度升高,A4温度下降。

 

  ⒉对铁-碳合金临界点的影响

 

  Mn、Ni、C、Cu、N等元素使铁碳相图中的S点和E点向下并向左移,A3线(GS线)也向下移(Co除外);V、Cr、Ti、Mo、W、Al、P、Sn、Sb、As、B、Zr、Nb、Ta、S、Ce等元素使S点和E点上升并向左移。

 

  ⒊与模具钢中晶体缺陷的相互作用

 

  一些合金元素与晶界结合,形成晶界偏聚;与位错结合形成柯垂耳气团。对钢的组织及性能产生影响,如产生晶界强化、出现晶界脆性、出现晶间腐蚀等。

 

  ⒋对C、N形成碳化物、氮化物

 

  Ti、Zr、Nb、V为强碳化物形成元素,W、Mo、Cr为中强碳化物形成元素,Mn为弱碳化物形成元素;Ti、Zr、Nb、V为强氮化物形成元素,W、Mo为中强氮化物形成元素,Cr、Mn、Fe为弱氮化物形成元素。碳化物与氮化物作为钢组织中的强化相,起到提高强度、硬度与耐磨性以及细化晶粒的作用。

 

  ⒌固溶于基体组织中起固溶强化作用

 

  碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等与非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu、P、S、N等,在高温时能固溶于奥氏体中,相变后遗留固溶于室温组织中,对基体组织起固溶强化作用。

 

  ⒍对C曲线影响

 

  非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Cu以及弱碳化物形成元素Mn等使C曲线右移而不改变曲线形状。Co使C曲线左移。碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等不仅使C曲线右移而且使其形状改变为具有上、下两面三刀个“C”形曲线。提高临界点的元素如Si、Al、Co、Cr、Mo、W、V等使C曲线的“鼻子”向上移动,降低临界点的元素如Mn、Ni、Cu等则使C曲线的“鼻子”向下移动。

 

  ⒎对奥氏体化的影响

 

  合金元素的加入提高了钢奥氏体化温度和延长了奥氏体化的时间。Al、Ti、Nb、V元素强烈阻止了奥氏体晶粒长大,W、Mo中等阻止奥氏体晶粒长大,C、P、Mn(高碳时)促进奥氏体晶粒长大。

 

  ⒏合金元素对过冷奥氏体转变影响

 

  Ti、Nb、V、W、Mo等强和中强碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变,推迟贝氏体转变较少;升高珠光体转变温度范围,降低贝氏体转变温度范围,明显出现珠光体和贝氏体两条C曲线。铬和锰等中、弱碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变,推迟后者更显著,因而出现了另一种两条C曲线形式。非碳化物形成元素铝和硅都增加过冷奥氏体的稳定性,而推迟贝氏体转变更强烈。镍强烈推迟珠光体转变,钴降低过冷奥氏体的稳定性。但镍和钴不改变碳钢C曲线的形状。钢中晶界偏聚强烈的元素如硼、磷、稀土等元素使先共析铁素体转变显著推迟,对珠光体和贝氏体转变推迟较弱,但不改变碳钢C曲线的形状。

 

  ⒐对马氏体转变的影响

 

  多数合金元素使马氏体点MS降低,其中Cr、Mn、Ni元素的作用最强。只有Al 、Co元素是提高马氏体点MS的,Si元素则影响不大。

 

  ⒑对回火组织转变的影响

 

  多数合金元素推迟马氏体在第二阶段的分解,阻止碳化物的分解和聚集,升高残余奥氏体的分解温度,改善钢的回火稳定性。同时合金元素也催了二次硬化、二次淬火现象。

 

  ⒒对工艺性的影响

 

  加入大量的合金元素促使钢内部产生大量的共晶碳化物,给锻造增加了难度,经切削加工制造了困难,给热处理带来了棘手的难题,给焊接造成了难以实现的困难。模具钢中加入Pb、Ca、S、Se元素,却能改善模具钢的切削加工工艺性。