文 /Gerhard Jesner·B?HLER Edelstahl GmbH & Co KG Stefan Marsoner·Materials Center Leoben Forschung Gmbh

張維，劉權，李志仁·編譯

本文著重論述了在最高測試溫度為300℃的條件下，兩種不同型號的粉末冶金工模具鋼的機械性能。并演示了其在不同的載荷條件下，靜態(tài)和循環(huán)單向拉伸試驗。通過研究PM-M3類的粉末冶金高速鋼，以及一種具有不同金相組織的新型粉末冶金冷作鋼，來確認金相組織對鋼材機械性能帶來的影響。同時展示了它們在靜態(tài)和循環(huán)條件下的單向拉伸測試結果，以及在不同的溫況下，金相組織對材料機械性能的影響。通過試驗，論述了它們在冷鍛成形中可能出現(xiàn)的結果。

背景介紹

冷鍛成形是最高效的零件終成形和近終成形的生產(chǎn)方式之一。冷鍛模具的載荷條件通常十分復雜且多樣，從模具表面貫穿到模具內部。在冷鍛成形過程中，冷鍛模具會周期性地受到極高的機械載荷。

在冷鍛模具受力的單位周期內，其受到的壓強通常遠遠高于其屈服強度。這會導致模具局部產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)早期疲勞裂紋，并隨著疲勞裂紋的萌生和擴展，最終導致模具報廢。一般來說，冷鍛模具的使用壽命在10,000模次以內。使用壽命較低的冷鍛模具，通常表現(xiàn)為在壓力集中的區(qū)域出現(xiàn)開裂，比如模具的型腔中出現(xiàn)缺口。這些信號說明材料的失效是由低周疲勞(LCF)造成的。正是因為需要具備多種機械性能，冷鍛模具會經(jīng)常使用高性能粉末冶金工模具鋼。

通過相關著作記載，我們已經(jīng)熟知粉末冶金的工模具鋼和高速鋼在室溫條件下的各項機械性能，例如它們經(jīng)常規(guī)工藝熱處理后的硬度、強度或韌性。它們的疲勞性能和疲勞裂紋擴展方式在文獻中也有記載，然而針對這些高合金粉末冶金鋼材的低周疲勞特性(LCF)，卻較少為人所知。

在冷鍛成形的工藝中，模具除了要承受極高的機械載荷外，其所處的環(huán)境溫度可能接近300℃。隨著鍛壓零件的熱傳遞，鍛壓模具的溫度梯度也會相應升高。這類模具的穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度取決于它加工什么材料和變形量，以及模具和被加工材料之間產(chǎn)生的摩擦力。

實驗

下文展示了兩種不同高強度、高性能粉末冶金鋼材的力學性能測試結果。

表1為兩種鋼材的化學成分。

從表中可以看出：被研究材料的化學成分主要區(qū)別在鉻、鎢，鉬和鈮元素的含量。它們在碳、硅、錳、釩元素上的差別不大。

表1 被研究材料的化學成分（%）

被研究材料的熱處理工藝由淬火和多次回火完成，并將兩種型號鋼材的熱處理硬度控制在62±0.3HRC范圍內。K490 MICROCLEAN的奧氏體化溫度(1030～1080℃)遠低于PM-M3類鋼材的溫度(通常為1100～1200℃)。這種較低的奧氏體化溫度，正是D2類冷作鋼，以及傳統(tǒng)冶煉或電渣重熔冶煉的8%鉻鋼典型的淬火溫度區(qū)間。K490 MICROCLEAN熱處理后最高的硬度值為64HRC。

圖1呈現(xiàn)了這兩種鋼材淬火并回火后的金相組織。K490 MICROCLEAN和PM-M3兩種材料的金相組織均由回火馬氏體和顆粒狀的合金碳化物組成。兩種材料中，各類型的碳化物的體積分數(shù)都在約10%。這里可以觀察到，和PM-M3相比，K490 MICROCLEAN中碳化物的平均尺寸明顯更小。

這些高性能的鋼材需要通過多軸銑削方式加工，這給理論研究和實際生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)，同時也是非常引人關注的話題。由于這些鋼材具有高硬度、高韌性、以及高抗壓強度等材料性能，因而可以承受更高的機械載荷。

通過研究K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速銑加工上的表現(xiàn)證明：它們的差異在金相組織上。K490 MICROCLEAN中更小尺寸的碳化物，能夠減少對刀具的磨損，進而提高切削刀具的使用壽命。圖2對比了K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速銑加工上的表現(xiàn)。

圖1 研究材料熱處理后的金相組織

圖2 兩種研究材料在不同狀態(tài)下切削刀具后刀面的磨損情況

試驗

單向抗壓測試和單向拉伸測試是鑒定材料靜態(tài)性能最權威的方式。這類測試特有的好處在于，它們可以分別檢測出材料的變形量和強度值。待定試樣如圖3所示，為了認定這些高性能粉末鋼的材料性能參數(shù)，如屈服強度、抗拉強度、抗壓強度以及斷裂延伸率，我們采用特定幾何形狀試樣，對其進行拉伸測試（室溫）和抗壓測試（室溫和最高溫度為300℃的條件下）。

為了認定材料的循環(huán)性能，我們采用和靜態(tài)測試中相同的試樣，在室溫條件下以不同的載荷對其進行應變控制的低周疲勞測試。所有的測試都在安置了特殊液壓夾具的電液伺服疲勞測試機上完成，其載荷數(shù)值通過最高精度的無接觸式激光計量儀測出。為了完成在溫度梯度下的檢測，還用到了感應加熱裝置。

圖3 用于檢測材料靜態(tài)和循壞性能的特定試樣

測試結果

以下展示的是K490 MICROCLEAN和PM-M3靜態(tài)和循環(huán)測試的結果，圖4和圖5為K490 MICROCLEAN和PM-M3的應力應變表現(xiàn)。

通過圖4中應力應變曲線（拉伸測試）對比可以看出，K490 MICROCLEAN的屈服強度和極限抗拉強度比PM-M3略低少許，它的塑韌性表現(xiàn)明顯高于PM-M3類的鋼材，這使它可以有效地抵抗開裂。K490 MICROCLEAN和PM-M3在相近的硬度水平下，還能具備更高塑韌性的主要原因是：它的碳化物尺寸更加均勻細小。

圖4 靜態(tài)拉伸測試下，兩種研究材料的應力應變曲線

圖5對比了兩種材料在室溫（RT）和最高溫度為300℃的條件下，靜態(tài)性能的測試結果。表2是它們在各測試溫度下的抗壓屈服強度。結果顯示，溫度對兩種被研究的材料都造成了較大的影響。

圖5 抗壓測試下，兩種研究材料的應力應變曲線

表2 兩種測試材料的抗壓屈服強度

表2是在各測試溫度條件下，兩種測試材料的抗壓屈服強度。

圖6為K490 MICROCLEAN和PM-M3在硬度值同為62HRC的情況下，其循環(huán)的應力應變表現(xiàn)，并標明了其不同的應變系數(shù)Rε和總的應變幅度。式(1)為Rε的計算公式。

盡管這兩種粉末冶金工具鋼的金相組織大不相同，但它們在應變控制測試下所表現(xiàn)出的循環(huán)性能接近。

圖7是硬度值同為62HRC的K490 MICROCLEAN和PM-M3類鋼材，其在應變系數(shù)Rε為-1和-5的條件下，其靜態(tài)和循環(huán)應力應變曲線的比較。為確認出它們循環(huán)應力應變曲線，我們在測試時間進行到一半的時候，測定它們的壓力和應變幅度。從圖7可以看到，兩種被研究材料的曲線非常相近，特別是在應變系數(shù)Rε為-1和-5時，它們周期性的軟化也幾乎相當。

圖6 室溫下，兩種鋼材根據(jù)不同的應變系數(shù)的循環(huán)應力應變表現(xiàn)

圖7 不同應變系數(shù)下靜態(tài)和循環(huán)的應力應變表現(xiàn)(static stress-strain curve:靜態(tài)下的應力應變曲線；cyclic stress-strain curve：循環(huán)/周期性的應力應變曲線)

結論

⑴我們研究了溫度和載荷條件對兩種冷作應用鋼材的靜態(tài)和循環(huán)性能造成的影響。通過比較粉末冶金工具鋼K490 MICROCLEAN和PM-M3類高速鋼表明：它們的金相組織雖然不同，但它們靜態(tài)和循環(huán)性能的表現(xiàn)比較接近。

⑵檢測表明：兩種材料從室溫升溫到最高300℃的過程中，它們的靜態(tài)抗壓屈服強度的降幅比較相似，最大為15%。在最高溫度不超過300℃的測試中，材料屈服強度的降幅明顯。這可能歸因于高位錯密度的淬火和回火組織。并由于熱激活的過程，使得材料高位錯的變化愈發(fā)容易，從而導致其屈服強度降低。

⑶室溫中，兩種材料在相同硬度和應變系數(shù)的條件下，即使它們的金相組織完全不同，但其表現(xiàn)出的循環(huán)性能相當。這意味著在有復雜循環(huán)載荷的冷鍛應用中，兩種材料的軟化性能接近。冷鍛模具的高機械載荷，通常取決于模具鋼在室溫條件下的機械性能（硬度水平）。在設計這類模具的過程中，應考慮即使在較低溫度的條件下，模具鋼的屈服強度也會明顯下降。

⑷K490 MICROCLEAN和PM-M3類高速鋼的靜態(tài)和循環(huán)機械性能表現(xiàn)十分接近。鑒于K490 MICROCLEAN中昂貴合金元素的含量更低，熱處理工藝更常規(guī)，以及其出色的高速銑加工性能，因此在62～64 HRC這個硬度范圍內，K490 MICROCLEAN會比PM-M3類的材料或其他類似的粉末冶金高速鋼更有優(yōu)勢。