H13钢的微合金化

H13钢的微合金化一、热疲劳裂纹萌生机制H13是一种广泛使用的热作模具钢，表面热裂是影响这类模具寿命的一个重要因素。据统计，超过80%的热作模具失效都是由于热裂导致裂纹扩展而引起的。热疲劳裂纹常在以下情况萌生。1、塑性应变集中处；2、第二相的脆断与基体的开裂处；3、高温下的氧化处；4、点蚀坑；5、夹杂物。热疲劳的影响因素分为材料内部因素和材料服役的外部因素，在特定的工况下，外部因素是一定的。因此，了解材料内部因素对热疲劳抗力的影响就可使材料的热疲劳抗力相应提高。化学成分的影响1.1、C含量的影响含碳量降低时，共晶碳化物的数量和尺寸相应减少，钢的冲击韧性、断裂韧性以及断面收缩率等塑性指标都相应增大；加上含碳量低有延缓因MnS剪切断裂后脱落而产生微孔聚集的作用，从而进一步改进塑性和断裂韧性。含碳量较低时，淬火组织中固溶的合金元素会多一些，使其室温和高温强度相应提高。降低含碳量从减少断裂源—共晶碳化物的角度来看，对提高热疲劳抗力有利。1.2、合金元素的影响合金元素对热疲劳性能的影响取决于其存在状态。合金元素与碳形成碳化物，其类型、尺寸、形状、数量和热稳定性与热疲劳抗力密切相关。但关于热疲劳过程中合金元素的影响的研究并不系统。总的来说，w、Cr、Mo、V、Ti、Nb等合金元素含量在一定范围内时有利于提高材料的热疲劳抗力，反之有害。1.3、杂质元素的影响杂质元素对热作模具钢热疲劳性能的影响不容忽视，其作用主要体现于其形成的夹杂物上。S对钢的热疲劳性能影响主要取决于硫化物的形态。单一球粒状态存在的硫化物影响较小；但是，钢经高温下强烈的热变形加工(如热轧或揉锻)，硫化物会沿着轧制方向呈纤维分布，导致模具表面产生高应力并为热疲劳裂纹提供扩展路径，从而使模具表面在淬火冷却、热循环和热冲击等服役条件下产生热疲劳龟裂。此外硫化物断裂时形成的微孔的聚集长大，将降低断裂韧性，从而降低热疲劳性能。因此可以通过加入微量元素，进行优化合金成分来提高铸造热作模具钢的强韧性及抗热疲劳性能。研制开发具有低成本、低能耗、高寿命的新型H13热作模具钢。1.4、相关应用和结论文献［1］指出：在新型铸造热作模具钢中加入微量元素Y、Ce、N，并发现当Y、Ce、N分别为0.01、0.03、0.06wt.%时，本研究钢的性能最佳，主要包括：晶粒度提高25%，组织中的夹杂物尺寸明显减小约2倍，形态由变质前的不规则的块状转变为椭球状或球状，分布也较变质前更加均匀。铸造热作模具钢的强度和韧性得到改善，与未加微量元素的钢相比，韧性提高150%，硬度提高14%。在相同的热疲劳实验条件下(650°C-20°C),新型热作模具钢的抗热疲劳性能与H13相比提高1倍，与未加微量元素的钢提高1.5倍。加Y变质后，与未变质钢相比，主裂纹扩展速率减缓，表面龟裂不明显，热疲劳性能提高1倍左右，硬度衰减值降低43%，抗软化能力得到提高；并且当Y含量为0.01wt.%时，热疲劳性能达到最佳；硬度和韧性分别提高14%和98%。加Ce变质后，与未变质钢相比，裂纹萌生寿命得到提高，主裂纹扩展速率减缓，表面龟裂不明显，热疲劳性能提高1倍左右，硬度衰减值降低39%，抗软化能力得到提高；并且当Ce含量为0.03W.%时，热疲劳性能达到最佳；硬度和韧性分别提高12%和104%加微量元素N后，较未加N钢相比，主裂纹长度变短，裂纹扩展速率减缓，表面龟裂不明显，热疲劳性能提高1倍左右，硬度衰减值降低43%，抗软化能力得到提高；并且当N含量为0.06wt.%时，热疲劳性能达到最佳；硬度和韧性13%和100%。文献［2］针对H13模具钢的化学成分进行改进，通过加入固溶氮原子提高H13钢强度、硬度和耐磨性，同时不降低它的韧性。氮作为提高强度、奥氏体化和耐点蚀的重要化学元素，已经在不锈钢中广泛应用。碳：0.28〜0.40,硅：0.8〜1.2，锰：0.2〜0.5，铬：4.75〜5.50，钼：1.10〜75,钒：0.8〜1.2氮：0.02〜0.08；文献］3］中，在热作模具钢中加入Ce：0.001-0.05,Ti：0.005-0.20,Ca：0.001-0.05。通过这种优化成分设计，孕育、变质、微合金化的方法提高热作模具钢的使用寿命，实现以铸代锻。通过加入Ti、RE、Si-Ca细化晶粒，去除钢中的0、S等有害元素与改善夹杂物形态及凝固组织，提高模具钢的强韧性。新型热作模具钢的合金成分如下：C：0.15-0.35，Cr：1.5-3.75，Mo：0.5-2.5，V：0.1-0.8，W：0.1-0.8，Mn：0.2-0.6，Si：0.2-0.5，S、PW0.04文献［4］《复合微合金化高热强性热作模具钢材料及其制备方法》中指出，在熔炼过程中加入稀土和铌。加入量为La和Ce：0.05-0.1%，Nb：0.09-0.07%。具体成分如下：C：0.25-0.4%，Si：1.0-1.8%，Mo0.01-0.3%，Cr：3.5-5.0%，Mo：20.-3.5%，V0.8-1.5%，Nb：0.03-0.07%，稀土：0.05-.1%，P和SV0.02%。该工具钢的最大有点是：高的纯净度、高的热强性、好的热稳定性、同时具有优异的热疲劳性能。文献［5］《铌微合金化H13钢的热疲劳行为》中提到：1、 在相同的奥氏体化温度下，添加微量的Nb可以有效细化H13钢的奥氏体晶粒，同时碳化物细小且更加弥散。2、 添加微量的Nb对H13钢的抗拉强度和屈服强度的贡献不显著，而且对塑韧性的改善也有限。微量铌的添加改善了H13钢的回火软化抗力和热稳定性，其中添加0.07%的Nb效果好于添加0.014%的效果。3、 添加微量的Nb使H13钢的热疲劳裂纹萌生细小，均匀，裂纹扩展缓慢，热疲劳后的硬度梯度下降缓慢，软化层较浅。其中含0.07%Nb的H13钢热疲劳性能最好。4、 在H13钢中添加0.07%的Nb以及增加V/Mo的值均可以降低M23C6碳化物的粗化率。文献［6］中在添加0.5%的Si的基础上进行K/Na、Mo复合变质处理，使H13钢的组织及性能提高，热疲劳性能较好。在文献［7］中开发了一种铸造模具钢其成分为：C：0.85〜1.00％，Cr：6.0〜8.0％，Si：0.6〜1.0％，Mn：0.8〜1.5％，B：2．2〜2．8％，A1：0.25〜0.50％，Ti：1.20〜1.50％，N：0.08〜0.15％，Mg：0.05〜0.08％，RE：0.08〜0.12%,S<0.04%,P<0.04%，余量为Fe。优点：明显提高淬透性，生成大量高硬度硼化物，明显改善耐磨性。二、各种元素在模具钢中作用碳：碳是影响铸造模具钢硬度和韧性的主要元素，碳含量高时，基体淬透性和淬硬性好，硬度高、耐磨性好，另外，碳含量高时，铸造组织中碳化物数量多，也有利于改善模具钢的耐磨性，但碳含量增加导致模具钢脆性加大以及淬火开裂倾向增强。硼：硼是一种特殊的元素，原子序数为5，介于金属与非金属之间，既能与金属化合又能与非金属化合。在铸钢中加入一定数量的硼，易形成高硬度硼化物，改善铸钢耐磨性。部分硼固溶于基体，有利于提高铸钢淬透性。硼加入量太少，硼化物数量少，对改善模具钢耐磨性作用不明显，硼加入量过多，导致脆性硼化物明显增加，损害模具钢强度和韧性。铬：模具钢中加入铬元素，一方面可以固溶于基体，提高基体淬透性，另一方面可以形成碳化物，改善铸钢耐磨性，铬还有固溶于硼化物并降低硼化物脆性的作用，铬还促进硼元素在基体中固溶量的增加，具有间接提高铸钢淬透性的作用。此外，铬还能细化晶粒，提高回火稳定性。铬加入量过多，将增加铸钢生产成本。硅：硅固溶于铁素体和奥氏体中，有明显的强化作用，硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，提高强度和硬度。硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于锰、铬、钒等，是很好的还原剂和脱氧剂，可提高铸钢的致密度，但硅量过高将显著降低钢的塑性和韧性。锰：锰能强烈增加钢的淬透性，淬火后易得到马氏体组织。锰还能起脱氧剂和脱硫剂的作用，可净化钢液，但锰量较高会促使晶粒粗大。稀土：1.稀土可以有效的控制硫化物形态，提高钢抗氢致裂纹的能力和冲击韧性；2.稀土可以净化钢液和变质非金属夹杂物；3.改善铸钢组织、细化等轴晶区，减少柱状晶区的枝晶臂间距；4.减轻钢的显微偏析，使沿晶分布的共晶碳化物分布和形状发生变化；5.铸钢中的稀土富集于晶界，改变了晶界的结构并净化了晶界；6.稀土还能改善铸钢的工艺性能，提高了铸钢的流动性和抗裂性，降低了铸钢的热裂敏感性。但是稀土加入过多，导致夹杂物增多，反而不利于改善铸钢强度和韧性。氮：氮作为合金元素加入不锈钢中，可提高奥氏体稳定性、平衡双相钢中相的比例，在不影响钢的塑性和韧形的情况下提高钢的强度，并可部分代替不锈钢中的Ni,在奥氏体不锈钢中，N绝大部分固溶于奥氏体中；N也是马氏体中的重要间隙元素，对马氏体相变和性能起决定作用。在钢中加入N可减少组织中铁素体的含量，同时对其形态也有较大影响，使铁素体由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变，从而改善钢的强度及塑性。N易与钢中的合金元素反应形成氮的化合物。在奥氏钢中尊在许多的弥散氮化物，主要是M2N；而在含有Ti和Nb的钢中，易形成高熔点、高稳定性的TiN和NbN。这些化合物弥散分布在晶界上，提高钢的强度，同时也防止高温回火时奥氏体、铁素体晶粒的长大。另外，延缓碳化物M23C6及金属间化合物的析出。氮加入量过多，则铸造模具中易出现气孔，损害模具力学性能和使用性能。钛：钛加入含硼铸钢中，发生Ti+2B=TiB反应，形成块状的TiB，对促进铁硼化合物22形态和分布的改善具有明显的效果，有利于改善含硼铸钢的力学性能。钛加入量过多，将出现粗大的块状TiB，反而降低铸钢的强度和韧性。2镁：镁和钙都是活性元素，据良好的脱氧能力，同时可以改善钢中夹杂情况。一定量的Mg还可以提高钢的高温性能，细化二次晶间距。加镁微合金化可以具有高温强韧化的优化性能,表现为在保持高温屈服强度的条件下,改善高温塑性；在延长持久寿命的同时提高持久塑性；而且还降低最小蠕变速率,充分发展蠕变阶段的优越性。加镁可以与硫发生反应生成难容的MgS,消除了低熔点硫化物共晶的有关作用，提高了合金的热加工塑性。铌：铌是最有效细化晶粒的微合金化元素。铌能作为微合金化元素添加到钢中得益于它与氧较低的附着力，与铁原子相比有较大的原子半径以及与碳、氮之间的强烈结合能力。它的细化效果是通过在热处理和再加热工艺过程中控制奥氏体晶粒而实现的。此外，铌还有一

个特点是在热轧时奥氏体变形过程中推迟再结晶而产生晶粒细化。国标GBT24594-2009优质合金模具钢中的有关规定1.成分要求钢组序号统一效字代号新牌号旧牌号化学成分（质量分数）/%cSiMnCrMoNiCuWVA1热作模具钢1-1T202803Cr2W8V0.30〜0.400?40olo2.20〜2.70=0.25<0.257.50~9.000.20〜0.501-2T205024Cr5MoSiVl0.32〜0.450.80~1.200.20〜0.504.75~5.501.10〜1.75<0.25<0.250.80〜1.201-3T205034Cr5MoSiVlA0.37〜0.420.80〜1.200.20〜0.505.00〜5.501.20〜1.75W0.25<0.250.80〜1.201-4T201035Cr06NiMoSCrNiMo0.50~0.60<0.400.50〜0.800.50〜0.800.15〜0,301.40〜1.80<0.251-5T201025Cr08MnMo5CrMnMo0.50〜0.600.25~0.601.20〜1.600.60〜0.900.15〜0.30<0.25<0.25钢中P，S组别殆炼方法PS1真空ft吒 1<0.025<0.020拎作卓具儕、翌料楔具钢€乩0莎2电渣咖<0.025<0.010flICrSMDSiV）启钢的 01&,3<D.005硬度统一殖字代号新牌号阳牌号交罐狀态的钢材顒度试样淬火腔度退炖度HBW预砥隹證度HRC禅火軽度擀却剂诰氐讓度HR〔：1-1T2Q23Datrz^v<255b£T205024Cr5MoSiVl^235..-13T205034Cr5MoSiVlA<335[TidTZ0103SCrCtNiMn197—2411-5