藤松 威史·橫井 大円·辻井 信博

于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105）

1 引言

近年來，隨著塑性加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大力倡導(dǎo)精品模具，近終形產(chǎn)品，用于制造螺栓、汽車部件等的精細(xì)冷沖模材料由于硬度不足造成尺寸精度下降的問題屢見不鮮。通過塑性變形均勻使組織均勻化的同時，還要具有必要的強(qiáng)度和硬度。通過精細(xì)加工，對模具材料保持高度的尺寸精度、抵抗磨損消耗的要求越來越高，高的強(qiáng)度和耐磨性是模具材料的最基本要求，具有代表性的冷作模具鋼SKD11淬回火硬度可以達(dá)到60HRC以上，以滿足使用要求。從SKH51高速工具鋼到SKS3合金工具鋼都有淬回火硬度要求，高速鋼系列普遍要求高溫淬火（≥1,423K），而合金工具鋼SKS3耐磨性略低，一般經(jīng)高溫回火產(chǎn)生二次硬化效果，通常需要經(jīng)過673K以上PVD及滲氮表面處理。大力開發(fā)新型冷作模具鋼，具有高速鋼的硬度同時兼顧韌性配合是冷作模具鋼的發(fā)展趨勢。高速鋼與SKD11相比，需要較高的淬火溫度，使用范圍具有局限性。

綜上所述，高性能冷作模具鋼開發(fā)的關(guān)鍵點：①具有高速鋼系列的高硬度（≥64HRC）；②可以進(jìn)行表面硬化處理（經(jīng)2次高溫回火）；③經(jīng)與廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼具有等同的熱處理條件（1,303～1,323K）后，可以得到良好的硬度。本研究旨在采用與廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼經(jīng)同等的淬回火工藝，通過成分計，合理的合金元素配比，開發(fā)淬回火硬度不小于64HRC的新型冷作模具鋼。

2 Ms點、γR及合金元素的影響

2.1 實驗方法

被稱作影響冷作模具鋼淬回火硬度的主要合金元素：C、Cr、Mo、V（4因子），成分設(shè)計：重量（%）：0.90%～1.10%C，5.00%～7.50%Cr，3.00%～5.00%Mo，0～0.50%V范圍設(shè)定。其他合金元素（Mn、Si、Ni等）適量。經(jīng)真空精煉爐澆注100kg的鋼錠進(jìn)行實驗，在1,348K鍛造加工成直徑?30mm棒材，再經(jīng)1,143K退火處理。試料的奧氏體溫度（以下簡稱γ化溫度）采取廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼1,303K、1,323K兩個溫度保溫1.8ks，空冷淬火，對淬火硬度（以下，HQ），Ms點及γR進(jìn)行測定。如圖1所示，測定冷卻時熱膨脹曲線的轉(zhuǎn)變點Ms點。在溫度773～873K保溫3.6ks后空冷，經(jīng)兩次回火，測定最高的淬回火硬度（以下HT），以上材料的生產(chǎn)及實驗過程如圖2所示。

圖1 本研究Ms溫度的定義

圖2 實驗過程

2.2 實驗結(jié)果及分析

（1）Ms溫度及合金元素的影響。

高硬度的冷作模具鋼成分設(shè)計、Ms點溫度及碳化物的控制是目前極為重要的課題。C、Cr、Mo、V是工模具鋼具有代表性的合金元素。碳溶于γ-Fe晶格間隙中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，具有面心立方結(jié)構(gòu)，為高溫相，強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性良好，并且無磁性，具體力學(xué)性能與含碳量和晶粒大小有關(guān)。隨著碳含量的增加，Ms點降低，碳含量的增加，殘余奧氏體（以下，γR）增加，導(dǎo)致淬火硬度降低。Cr、Mo、V是強(qiáng)碳化物形成元素，有增加硬度、耐磨性的作用，Cr和Fe形成連續(xù)固溶體，與碳形成多種碳化物，增強(qiáng)耐磨性。Mo、V經(jīng)高溫回火特殊碳化物沉淀析出，彌散分布，實現(xiàn)二次硬化。眾所周知，Mo有降低Ms點的作用，但不甚顯著，Cr使Ms溫度下降，作用僅次于C、Mn，如果Cr以碳化物形式存在于奧氏體中，將相對減少奧氏體中Cr和C的濃度，反而使Ms點升高，所以真正對Ms點的升降具有決定作用的是淬火時Cr在奧氏體中的濃度。V對Ms點及淬火后的殘余奧氏體含量的影響也取決于它在鋼中的存在狀態(tài)，當(dāng)V固溶于奧氏體中時，降低Ms點，并增加殘余奧氏體含量，但若以碳化物微粒狀態(tài)存在時，將產(chǎn)生相反的結(jié)果。諸多的Ms計算公式進(jìn)行了綜合考慮[1～3]。Lzumiyama對二元系平衡相圖中合金元素對Ms溫度的影響進(jìn)行調(diào)查[4]，V對Ms點也有上升作用。而且，通過對高碳工具鋼的Ms溫度實測，與歷來采用的低合金鋼的Ms溫度計算公式存在很多分歧[1～7]。在這里，C、Cr、Mo、V與基體固溶，形成碳化物、奧氏體中實際存在的濃度都要充分考慮。

本研究以實驗測定為基礎(chǔ)，求得Ms點及相應(yīng)合金元素比例。如圖3所示，C、Mo的增加使Ms降低，特別是C的影響較明顯。這并不與歷來的Ms計算公式相悖。Cr、V在一定成分范圍內(nèi)使Ms點升高，在這里Cr、V以碳化物形式存在于奧氏體中，將相對減少奧氏體中的C、Cr、V的濃度，因而使Ms點升高。在這里合金元素的影響（重量%）對Ms溫度的綜合影響提出參數(shù)P，P值計算與歷來Ms計算公式一樣，合金元素對其影響呈線性分布。

圖3 合金元素變化對Ms溫度的影響

式中，C，Cr，Mo，V為熔煉分析。

（2）P值、Ms點及γR關(guān)系。

首先，如圖4所示，經(jīng)整理后三者關(guān)系示意圖。由圖可以看出：P值與Ms呈線性正比例關(guān)系，其線性方程式如式（2）所示。

圖4 合金元素變化對殘余奧氏體的影響

從圖4可以明顯看出，隨著Ms的增加，淬火狀態(tài)的γR降低。在這里，Ms點的上升與淬火狀態(tài)下馬氏體的變化相關(guān)。在高溫回火時，產(chǎn)生二次硬化，這種硬化作用是由于大量殘余奧氏體在回火后冷卻時轉(zhuǎn)變或分解而造成的，和釩、鉬等碳化物形成元素，在淬火后回火時，其特殊碳化物形成、沉淀析出、彌散分布所導(dǎo)致的二次硬化機(jī)理并不相同。

（2）淬回火硬度與P值。

其次，如圖5所示，經(jīng)整理后P值、HQ、HT關(guān)系示意圖。隨著P值的增加，γR減少，HQ單調(diào)增加，從實驗結(jié)果可以看出：P=-50左右有最大值。C對P值的影響最為顯著，高C區(qū)域（P值?。╇S著γR增加HQ減少，低C區(qū)域（P值大）馬氏體中固溶C含量減少造成HQ降低?？梢钥闯鯤T與P值有明顯的關(guān)系。但成分設(shè)計確保HQ＞63HRC時，HT≥64HRC的范圍；通過合金元素配比在滿足而HQ≥64HRC時，對于P值（P=-40～-70）的范圍，進(jìn)行合理成分設(shè)計，穩(wěn)定控制HT≥64HRC。

圖5 合金元素對硬度的影響

3 淬回火硬度及P值

3.1 實驗方法

如上所述，由圖5可以看出，P值控制在-40～-70范圍內(nèi)可以得到不小于64HRC的淬回火硬度。這里，由圖4可知，HQ峰值時大約在P=-50左右，成分重量%約：0.90%～1.10%C，5.00%～8.00%Cr，3.00%～5.00%Mo，0.40～0.90%V的H1～H4鋼種的成分設(shè)計（見表1）。

表1 鋼的化學(xué)成分與P值 %

試驗材料的生產(chǎn)工藝如圖2所示，γ化溫度分別設(shè)定為：1,303K、1,313K、1,323K 3個溫度，開始測定HQ、HT、γR。如表2所示，采用電解析出，X射線測定碳化物。

表2 電解提取條件

3.2 實驗結(jié)果分析

（1）H1～H4鋼的硬度、Ms點及γR。

H1～H4鋼的HQ、HT、Ms點及γR如表3所示。在1,303K奧氏體化時，全部鋼種HT＜64HRC，1,323K奧氏體化時，全部鋼種達(dá)到HT≥64HRC。

表3 不同P值和奧氏體條件下鋼的性能

H2鋼與H3、H4鋼的差別變小，1,323K-1.8ks淬火時，所有鋼種可以達(dá)到幾乎相同的硬度。Ms點、γR及HQ與圖4、圖5測定值幾乎一致。然而，在1,303K保溫1.8ks淬火后，H1、H2與H3、H4相比HT低0.4～0.9個點，隨著淬火溫度增加H1、H2和H3、H4的HQ差異減少。

（2）碳化物的變化。

對1,303K淬火的H1、H2和H3、H4鋼產(chǎn)生的差異進(jìn)行深入研究。如圖6所示，H1～H4鋼的淬火態(tài)X射線衍射結(jié)果分析。H1鋼在1,303K淬火時M23C6碳化物衍射峰值，與1,323K淬火時M23C6碳化物衍射峰值不同。

圖6 淬火態(tài)H1～H4鋼電解提取殘渣的X-射線衍射圖

H1鋼的M23C6碳化物是富含Cr的碳化物，在 1,323K奧氏體化時幾乎全部溶解；而M7C3（d=0.205nm）與M6C（d=0.213nm）碳化物衍射峰值接近。對于H1、H2鋼淬火溫度上升，M6C與M7C3碳化物峰值相比明顯偏低?？偨Y(jié)如下:H1、H2鋼高溫淬火，相對較多的M6C碳化物溶入馬氏體中，M6C碳化物是富含Mo的碳化物，H1、H2鋼在1,303K溫度Mo并沒有完全固溶。而對于H3、H4鋼，1,303K、1,323K溫度淬火時M6C、M7C3的衍射峰值確認(rèn)存在，兩個溫度下M6C的固溶量差別較小。Mo為碳化物形成元素，高溫回火時析出細(xì)小的碳化物產(chǎn)生二次硬化效果，在1,303K溫度時，H1、H2及H3、H4鋼HT的差異，推斷是由于淬火時Mo的固溶量不同。

在H3、H4鋼中確認(rèn)存在MC碳化物，MC碳化物是富含V的碳化物，硬度高（2,500～2,800HV），高溫淬火時固溶于基體[8～9]。如表1所示，H3、H4鋼添加合金元素V較多，應(yīng)該是基體固溶后過剩的V形成MC型一次碳化物。

4 P值的冶金學(xué)意義

4.1 合金元素在基體中固溶量的預(yù)測

P值是衡量高C-Cr-Mo-V系工具鋼中化學(xué)元素與Ms點密切相關(guān)的重要因素，是有效設(shè)計Ms、γR及HQ的參數(shù)指標(biāo)。并且，淬火狀態(tài)下馬氏體中合金元素的含量與P值的關(guān)系進(jìn)行討論。H1～H4鋼淬火狀態(tài)材料的ICP進(jìn)行分析，式（3）基體中合金元素含量計算：

基體中合金元素含量=熔煉分析-ICP分析值（3）

運(yùn)用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫Chemsage計算H1～H4鋼的1,303K、1,323K的基體（γ相）的平衡組織，對基體中合金元素的含量進(jìn)行比較，ICP分析與實測值比較。從圖7可以看出，V的實測值與計算值近乎一致。V的添加量（參照表1）比照固溶于基體V的含量差別不大于25～53%，剩余的V多數(shù)形成一次碳化物。而且，可以看出在圖7b 1,313K、圖7c 1,323K時，基體中Cr的計算值與實測值趨勢相似。Mo的實測值與計算值偏離較大。此外，在圖7a 1,303K溫度時，H1鋼（P=-44.3）,H2鋼（P=-51.0）的Cr、Mo固溶含量的實測值比計算值略低。X射線的衍射結(jié)果（見圖6）基本一致。而且，H2鋼的Cr含量的實測值與計算值產(chǎn)生偏離，用X射線的衍射結(jié)果很難作出符合性說明。 但是，無論哪個方面，1,303K溫度下長時間保溫，計算所得的γ相的平衡組織組成與理論預(yù)測一致。ICP中C的定量分析較為困難，Chemsage預(yù)測值C量存在0.4～0.6mass%偏差。SKH51和SKD11淬火狀態(tài)固溶C量約有0.5mass%左右偏差，可以作為近似值參考。

圖7 γ相中合金元素的測量與計算的比較

4.2 P值與基體中合金元素固溶量的關(guān)系

在一定的奧氏體溫度下，采用熱力學(xué)數(shù)據(jù)模型可以推斷淬火態(tài)基體的組成相。本文在12種試驗料中選取8種代表鋼種，采用Chemsage模型分別在1,303K、1,323K對基體（γ相）的平衡組織進(jìn)行測試。如圖8所示，γ中合金元素的固溶量（計算值）與P值關(guān)系。圖8中以各合金元素總量占γ相總量的重量百分?jǐn)?shù)計。由圖8可以看出，隨著P值的增加，基體中C固溶量降低。另外，在P值一定范圍內(nèi)，隨著P值的增加，固溶Mo含量降低。Cr、V的固溶量隨著P值的增加單調(diào)增加。

圖8 1,323K時γ相中合金元素的平衡量

在這里C、Mo的固溶量與P值呈反比例，而Cr、Mo的固溶量與P值呈正比例，從P值的計算公式（①式）各元素前置符號可以明顯反應(yīng)出來。C含量的降低使Ms點上升，P值的增加γR降低，HQ增加。高溫回火時，Mo、V析出細(xì)微碳化物起到了二次硬化作用，也是淬火時合金元素的充分固溶的結(jié)果。P=-40～-70的范圍內(nèi)，對于H1～H4鋼，使得HQ≥64HRC時，基體中C充分固溶，Mo、V的最佳配比，在高溫回火時起到了良好的二次硬化效果，得到較高的HQ值。

4.3 Ms點與P值關(guān)系

Ms點與奧氏體成分組成有著密切的關(guān)系，由各個合金元素的組成計算Ms點的計算方法很多。然而，對于Ms點的計算，在合金元素完全固溶于基體的前提下，高碳合金工具鋼碳及合金元素全部固溶，形成復(fù)雜的碳化物的情況下Ms點的預(yù)測難度較大。若干Ms點的計算公式中，Andrews公式（直線式）[3]及Steven和Haynes[2]公式，對于低合金鋼、高合金鋼的Ms點的預(yù)測起到了一定的作用。然而，Steven和Haynes公式中V的作用應(yīng)該追加考慮。有關(guān)Ms點計算如表4所示。

本文適用于C-Cr-Mo-V系工具鋼，充分考慮基體γ相的組成及配比關(guān)系對Ms點的影響。在1,323K的γ相平衡組織中（以γ相為100%的C、Cr、Mo、V、Si及Mn的固溶量），采用Chemsage計算，如表4所示，計算得出Ms點，與P值的關(guān)系。圖9所示Ms點與P值關(guān)系。圖9所示為線性回歸式得出Ms值和各個理論計算值比較，P值與Ms值呈線性遞增。圖8所示為P值的變化與基體中合金元素固溶量的變化關(guān)系，在各個合金元素的綜合作用下，對P值產(chǎn)生了一定的影響。Ms點的計算值與理論值有較大差別。本文中，運(yùn)用熱膨脹曲線溫度拐點實測Ms值，所以存在一定的差別。

表4 Ms溫度計算經(jīng)驗公式 %

圖9 計算Ms溫度與實際Ms溫度的比較

以上，P值與Ms點有著密切的關(guān)系。冶金學(xué)上來講，P值與基體中合金元素的固溶量相關(guān)，即Ms點是各個合金元素的作用的綜合結(jié)果。本文適用于高C-Cr-Mo-V系列工具鋼，本研究Ms點從熔煉成分分析入手，計算P值。在今后，高耐磨性、高強(qiáng)韌性的高性能冷作模具鋼的研發(fā)，兼顧碳化物的形態(tài)、分布，有必要對合金元素的含量及配比進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)束語

通過冷作模具鋼的淬回火硬度及C、Cr、Mo、V含量的影響分析，概況有以下幾點：

（1）對于本系列冷作工具鋼的Ms點，γR、HQ及P值關(guān)系如下：Pvalue=-137.50C+10.50Cr-8.75Mo+77.50V（mass%）

（熔 煉 分 析：[C]=0.90～1.10% [Cr]=5.00～8.00% [Mo]=3.00～5.00% [V]=0～0.90%）

（2）P與Ms點呈線性遞增關(guān)系，同時γR降低。HQ的最大值發(fā)生在P=-50左右，隨后有減少傾向。

Ms（K）=445.74+1.03P

（3）在P=-40～-70的范圍內(nèi)進(jìn)行成分設(shè)計，基體中適宜的C含量，可以得到高的HQ值，高溫回火時二次硬化效果顯著的Mo、V碳化物析出效果良好，可以得到64HRC以上的HT值。

（4）通過成分設(shè)計，合金元素合理配比，使P=-50左右，淬火溫度1,323K時，保證廣泛應(yīng)用工模具鋼HT≥64HRC。