文/Gerhard Jesner博士·B?HLER Edelstahl股份有限公司

新型的高性能粉末冶金冷作鋼
——BOHLER K490 MICROCLEAN

文/Gerhard Jesner博士·B?HLER Edelstahl股份有限公司

Gerhard Jesner，博士，2007年起，供職于B?hler Edelstahl GmbH & Co KG的研發(fā)部門，從事相關(guān)產(chǎn)品及其工藝的研發(fā)。2014年，晉升為分管工模具制造技術(shù)的部門經(jīng)理，主要負責世界范圍內(nèi)BOHLER工模具鋼和高速鋼的產(chǎn)品技術(shù)及其應(yīng)用工程。

為順應(yīng)高強度粉末冶金工模具鋼在全領(lǐng)域冷作應(yīng)用上與日俱增的需求，一種新型的高性能粉末冷作工模具鋼由此而生。這種全新的合金配方，將其最高硬度設(shè)計在64HRC，可以通過常規(guī)冷作鋼典型的淬火溫度獲得。此外，它的金相組織是由馬氏體和多種類型的碳化物組成，它具備高耐磨性的同時，也擁有極佳的塑韌性。

本文將主要論述這種新型粉末冶金冷作鋼的金相組織對材料硬化性能的影響，以及不同的熱處理條件對材料機械性能的影響。文中所有的研究結(jié)果都與用于冷作應(yīng)用的傳統(tǒng)粉末鋼進行了討論并比較。

冷作工模具鋼，主要被用在工作溫度不超過200℃的模具上。諸如沖裁、沖孔、拉伸以及各種切削工具。標準的D2類和8%鉻的冷作工模具鋼，乃至M2類的高速鋼，通常已經(jīng)可以滿足普通應(yīng)用所要求的性能。

遇到需要更高抗壓強度或更好塑韌性的冷作應(yīng)用場合，就會要求使用粉末冶金制備的鋼材。粉末冶金工模具鋼，將鋼材的硬度、耐磨性、屈服強度、疲勞強度和塑韌性進行了最優(yōu)組合。通常，這些粉末冶金材料比常規(guī)冶煉的冷作鋼和高速鋼含有更多的合金。

絕大多數(shù)冷作應(yīng)用的合金鋼，其金相組織是由馬氏體和碳化物組成。為了獲得更高的抗壓強度和耐磨性，就要求鋼材碳化物的體積分數(shù)至少在10%以上。大部分粉末冶金冷作鋼的金相組織，是由MC類，或MC類加M7C3類的碳化物組成。在合金成分更高的高速鋼產(chǎn)品中，呈現(xiàn)的則是MC類，或MC類加M6C類的碳化物。

鋼材的疲勞強度和塑韌性，主要受碳化物分布、碳化物的體積分數(shù)、尤其是受碳化物尺寸大小的影響。小尺寸的碳化物，對增加粉末冶金工模具鋼的疲勞強度和塑韌性有極大幫助。碳化物的硬度高低，碳化物的體積分數(shù)和碳化物的分布，關(guān)聯(lián)著鋼材的磨粒磨損和粘著磨損。眾所周知，碳化物之間的平均自由行程，在應(yīng)對粘著磨損方面發(fā)揮了重要的作用。并且碳化物間的平均自由行程越小，材料的耐磨性越好。

化學(xué)成分和金相組織

表1為研究材料及PM-M3化學(xué)成分（單位為百分比）。從中可以清晰地看出各組分所占比例。通過掃描電鏡（SEM）可以觀察到如圖1所示的不同的工模具鋼經(jīng)過熱處理后的金相組織。

表1 研究材料及PM-M3化學(xué)成分（單位：%）

圖1 不同的工模具鋼經(jīng)過熱處理后的金相組織

從圖1中可以看到，K490 MICROCLEAN的金相組織由多種不同類型的碳化物組成，可以觀察到MC類、M6C類、M7C3類和M23C6類的碳化物。并且也能看到，這些碳化物的尺寸相比其他鋼種更細小。

另外，鉻元素在合金形成的過程中，能與鉬、鎢、釩和鈮元素分別結(jié)合成四種不同類型的碳化物。在鋼材的生產(chǎn)中，鈮是一種非常易于與碳元素融合的合金元素，并形成穩(wěn)定的碳化物。同時，鈮元素還能提高K490 MICROCLEAN晶核形成率，以及促進MC類碳化物的形成和析出。K490 MICROCLEAN的粉末冶金生產(chǎn)方式，也有助于多種類型碳化物的析出和細小微觀組織的產(chǎn)生。以上推論已經(jīng)過實驗證實。

表2為經(jīng)過1030℃淬火后的各種碳化物體積分數(shù)，可以看到K490 MICROCLEAN這款新鋼種經(jīng)過1030℃淬火后的碳化物體積分數(shù)情況。

鋼材的高純凈度和細小的微觀組織能提高材料的塑韌性和抗疲勞性能。細小且均勻分布的碳化物，也有助于滿足日益增長的要求材料具有易加工性方面的需求。碳化物的體積分數(shù)(＞10%Vol）與碳化物之間最小平均自由行程的有機結(jié)合，能同時賦予材料優(yōu)異的耐磨粒磨損性能和耐粘著磨損性能。所有這些特性整合到一起，促成了能在各種冷作應(yīng)用中全能表現(xiàn)的高性能粉末工模具鋼。

基于K490 MICROCLEAN有足夠耐磨性的同時還兼具優(yōu)異塑韌性這一特點，它能非常有效地預(yù)防和應(yīng)對模面出現(xiàn)材料崩角、剝落、乃至開裂等類型的模具失效現(xiàn)象?？蛻魧嶋H案例：沖壓材料為3.5mm厚的QSTE380的高強鋼板，之前使用的模具材料為PM-M3類的粉末鋼（60～62HRC），使用5，000至7，000模次后，模具失效形式為開裂和崩角。改用K490 MICROCLEAN后（60～62HRC），模具使用壽命穩(wěn)定在15，000模次以上。

表2 經(jīng)過1030℃淬火后的各種碳化物體積分數(shù)（單位：%）

淬火和回火特性

圖2所示為新研發(fā)的粉末冶金工模具鋼的淬火和回火性能圖。圖2表明，該材料可以通過1080℃的奧氏體化溫度達到所要求的64HRC的硬度。當奧氏體化溫度在1030℃的時候，它的最高硬度也有62HRC。因此這種新研發(fā)的粉末工模具鋼非常適合各種冷作模具應(yīng)用。

圖2 新研發(fā)的粉末冶金工模具鋼的淬火和回火性能

機械性能

對材料進行拉伸試驗檢測其機械性能。拉伸測試是用來判定材料強度和塑韌性最權(quán)威的檢測手段。拉伸測試特有的好處在于，它可以檢測材料的變形量和強度值。我們選取特定尺寸的樣件，用來認定這種新研發(fā)的高性能工模具鋼的性能參數(shù)，比如屈服強度、抗拉強度以及斷裂延伸率。

我們用拉伸測試檢驗的材料有：⑴新研發(fā)的K490 MICROCLEAN；⑵高速鋼PM-M3，基于EN10027-1標準(DIN1.3343標準）。所有的樣件用真空爐進行奧氏體化，并通過氮氣淬冷到室溫，回火3次，每次回火2個小時。

為使被測試樣件的硬度在58～64HRC之間取不同的硬度值，我們分別在1030℃和1080℃的溫度對他們進行奧氏體化，并采用多種溫度進行回火，以達到指定的硬度水平（如圖2所示）。表3為PM-M3鋼材詳細的熱處理條件。

圖3所示為拉伸測試：PM-M3在硬度62HRC時的應(yīng)力應(yīng)變曲線；圖4所示為拉伸測試：K490 MICROCLEAN在硬度62HRC時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖3和圖4說明了PM-M3和K490 MICROCLEAN的應(yīng)力應(yīng)變性能，被檢測的兩個鋼種具備相近的屈服強度和極限抗拉強度，但PM-M3的塑韌性比K490 MICROCLEAN低。

圖3 拉伸測試：PM-M3在硬度62HRC時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表3 PM-M3鋼材詳細的熱處理條件

圖4 拉伸測試：K490 MICROCLEAN在硬度62HRC時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5所示為K490 MICROCLEAN和PM-M3在不同硬度水平時的斷裂延伸率。圖中表明了被檢測材料受不同熱處理條件的影響，反映出的各硬度水平下的斷裂延伸率。

新研發(fā)的粉末冶金冷作鋼，在58～64HRC的硬度范圍內(nèi)，其塑韌性都遠好于PM-M3鋼材。這也是歸功于K490 MICROCLEAN細小且均勻分布的碳化物。

此外，它的斷裂延伸率與其采用的淬火溫度無關(guān)。國外精沖行業(yè)用戶的實際案例：產(chǎn)品為汽車零件，材料是3.0mm到5.6mm厚的球化退火鋼材SAE4130，之前的沖模材料使用常規(guī)M2高速鋼以及PM-M4類的粉末鋼（均為60～62HRC），第一次修模前的模具使用壽命分別為30，000件和75，000件，主要失效形式為沖頭表面出現(xiàn)崩角。模具材料改用K490 MICROCLEAN后（60～62HRC），使用壽命提升至120，000（客戶的預(yù)期）件并仍在使用當中。

圖5 K490 MICROCLEAN和PM-M3在不同硬度水平時的斷裂延伸率

結(jié)論

⑴K490 MICROCLEAN作為一種新研發(fā)的，采用粉末冶金方式冶煉的冷作工模具鋼，它的合金成分是度身設(shè)計的，因而可以析出細小的MC類，M6C類，M7C3和M23C6類的碳化物。這些細小的碳化物彌散分布在馬氏體中，可以改善鋼材的多個機械性能，諸如抗粘著磨損性能、抗疲勞性能以及塑韌性。

⑵這種新研發(fā)的粉末冶金冷作鋼具備碳化物體積分數(shù)大于10%的特點，這是K490 MICROCLEAN獲得高抗壓強度和充足抗磨粒磨損性能的基礎(chǔ)。

⑶K490 MICROCLEAN熱 處 理 后 的 硬 度 在58～64HRC之間，可以通過將常規(guī)冷作鋼放在1030～1080℃這一典型的淬火溫度范圍獲得。

⑷這種新研發(fā)的粉末冶金冷作鋼，其金相組織和淬火回火性能具有顯著特點。同時，其靜態(tài)機械性能如抗拉強度和斷裂延伸率是經(jīng)過拉伸測試檢驗的。值得一提的是，K490 MICROCLEAN的抗拉強度和斷裂延伸率并不受其使用的淬火溫度影響。

⑸研究表明，這種新研發(fā)的高性能工模具鋼與PM-M3鋼材相比，在具有非常接近抗拉強度的同時，還具備更出色的塑韌性。