镧对3Cr2W8V热作模具钢组织和性能的影响.pdf

第6 0 卷第2 期 2 008 年5 月 有色金属 N o l f e f r o A sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．2 M a y20 08 镧对3 C r 2 W 8 V 热作模具钢组织和性能的影Ⅱ向 ．郝新，郭洪飞，何智慧 内蒙古工业大学，呼和浩特0 10 0 5 1 摘要研究加入不同含量稀土L a 对3 C r 2 W 8 V 热作模具钢的组织、强度、硬度、冲击韧性和塑性的影响。结果表明，稀土 k 加入量在适当的范围内可使组织得到明显细化，强度、冲击韧性和塑性有显著提高而硬度无明显变化，当稀土L a 加入量为 0 ．2 0 ％时，3 C r 2 W 8 V 钢可获得最好的综合机援性能。 关键词金属材料；热作模具钢；细化；稀土；机械性能 中图分类号T G l l 3 ．1 2 ；T G l 4 2 ．7 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 0 1 4 0 4 3 C r 2 W 8 V 钢是我国热作模具的传统用钢。要 求高承载力、高热强性和高回火稳定性的压铸模、热 挤压模、压型模等一般选用此种钢材。由于 3 C r 2 W 8 V 钢中富含C r ，w ，V 等碳化物形成元素， 钢锭中普遍存在成分偏析及共晶碳化物数量较多等 缺陷。如果模具中的碳化物偏析严重时，容易产生 应力集中，最终产生裂纹而导致失效，直接影响模具 的服役寿命。为了获得高品质3 C r 2 W 8 V 钢，可采 用加入稀土元素来改变碳化物及夹杂物形态、细化 晶粒、净化和强化晶界等作用来提高其机械性能。 同时与国外先进的H 1 3 ，D 2 ，P 2 0 等模具钢相比，既 可降低成本，也可达到同样的机械性能。所以研究 了在常规生产条件下，通过对不添加稀土L a 和添加 不同量稀土L a 的3 C r 2 W 8 V 钢进行组织观察和机 械性能的测试，考查稀土L a 对3 C r 2 w 8 V 钢组织和 性能的影响，为企业生产和研制模具材料提供参考 依据。 1实验方法 1 ．1 试验材料 试验用3 C r 2 W 8 V 钢夺8 0 m m 棒材，主要成分见 表1 ，稀土添加剂为四方状颗粒，主要元素为L a 。 表13 C r 2 W 8 V 热作模具钢的化学成分 T a b l e1 C o m p o s i t i o no f3 C r 2 W 8 Vh o tw o r kd i es t e e l 成分 CS iM nWVC rSP w ／％0 ．3 50 ．3 0 O ．3 28 ．2 00 ．3 52 ．5 0O ．0 1 3 0 ．0 2 5 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 3 作者简介郝新 1 9 5 6 一 ，男，呼和浩特市人，教授，主要从事金 属塑性成型及金属材料等方面的研究。 1 ．2 稀土加入量 稀土加入量依据[ R E ] ／I s ] 的比值和稀土回收 率确定，根据铸模中加稀土的方法和稀土烧损比较 大，回收率在1 0 ％～3 0 ％之间，设计回收率为1 5 ％。 由经验公式[ R E ] ／I s ] 2 ．0 ～2 ．5 ，设计稀土的加入 量。3 C r 2 W 8 V 钢中的S 含量为0 ．0 1 3 ％，设稀土的 加入量为z ，则[ R E ] ／[ S ] 2 ．0 时，z 0 ．1 7 3 3 ％， [ R E ] ／[ s ] 2 ．5 时，z 0 ．2 1 6 7 ％。由于z 的值界 于0 ．1 7 3 3 ％和0 ．2 1 6 7 ％之间，取z 0 ．2 0 ％，分别 在上下区间取值，0 ．0 8 ％和0 ．3 5 ％。 1 ．3 试验过程 冶炼设备为普通的中频炉，进行了一炉次的工 艺试验，共冶炼3 C r 2 W 8 V 钢1 5 ．6 k g ，浇注时分4 份 钢水加入已放入不同量稀土L a 的砂型中，其中一个 不加稀土L a ，4 份试样的编号及化学成分见表2 。 稀土L a 加入时，外包一层铝箔的阻燃剂，冶炼过程 中提前放入砂型中，并以S i 和M n 弱氧化剂预脱 氧，以强氧化剂～进行终脱氧。浇注后按要求锻成 钢料，试样直接从钢料上截取尺寸为．} 2 6 m m 圆钢， 然后分别制成夺1 0 1 5 m m 金相试样，4 1 6X1 5 0 r a m 标准拉伸试样，1 0 1 0X5 5 m m 无缺口标准冲击试 样。对试样进行热处理，采用1 1 1 0 ℃4 0 m i n 淬火， 淬火后5 0 0 ℃X2 h 回火和4 7 0 ℃2 h 二次回火工 艺。最后在O L Y M P U S 金相显微镜下观察试样组 织并拍摄金相照片，强度、硬度、冲击韧性分别在 S C H E N C K R S A 2 5 0 电子万能实验机、H R 一1 5 0 A 型洛氏硬度计和J B 一2 0 0 型冲击实验机上测定。 万方数据 第2 赣郝薪等鞴对3 C r 2 W 8 V 热俸溪具镑组织稻健髓豹彩璃 1 5 表2 试样的化学成分w ／％ T a b l e2 C o m p o s i z i o no fs a m p l e 试样 l “ 2 3 8 d 筝 C 0 ．3 5 0 。3 3 0 ．3 4 O ．3 5 S i O ．3 0 e 。强 O ．捞 O ．3 0 M n O ．3 2 e ，3 2 O 。3 王 0 ．3 3 W 8 。2 0 8 ．量S 8 ．2 0 8 ．1 9 V 0 ．3 5 O ．3 3 0 。3 4 0 ．3 5 C r 2 ．5 0 2 。5 0 2 ，5 0 2 ．4 9 SPR E 船人 R E 残留 0 ．0 1 3 e O i l 0 。0 1 0 0 ．0 1 2 0 ．0 2 5 8 ，8 蕊 0 ．0 2 2 0 ．0 2 3 OO 0 ．潞0 。0 1 2 0 ．2 e0 ．0 3 0 O ．3 50 ．0 5 3 2 试验结果和分析 2 ．1 稀土L a 对组织的影响 圭试验褥囊戆3 C 珐w 8 V 镪不霹试样缀织籍爨 1 所示。试样金相缀织是铁素体十珠光体。从图1 a 一图1 d 可以看您，不加L a 的l 试样晶粒最 大，燕入0 ．0 8 篱L a 翡2 荨试群与1 荽试祥晶粒大夸基 本相同，稀土加入量分别为0 ．2 0 ％和0 ．3 5 ％的3 苷 朔4 试撵器粒则褥到鼹显缨化，并且相对1 和2 试祥缓缀也比鞍窍匀。盎就霹熬，在褥主燕A 量适 当鳆条髂下，嚣主含量越多，组织赫矗粒逐蓊凌小， 说明稀降低了龋界能，减少了晶粒长大的驱动力， 阻碍了奥氏体晶粒的进一步长大，从耐使组织的恩 莲缨纯，成势更为垮匀。丽时又霹默隘也毒害元素 在晶界的偏聚，选样奥氏体晶粒在高温下得到了_ 充 分细化，使得室湛组织晶粒细化效果更加明显。蔼 耋弦热天量增多露，稀夹杂凌载会泼离藩煮氧、 硫化物为核心形梭，最后聚黛长大，这将会在钢巾残 鬻大尺寸缒稀i 夹杂物，从艇降低钢盼性能。 a 一1 。试榉； b 一2 4 试样；c 一3 5 试榉； d 一4 。试榉； 强差试撵的组系lx4 0 0 ；7 F i g ．1 S t r u c t u r eo fs a m p l e s 2 。2 嚣L a 对试群硬凄戆彩滤 ，z 在H R 。1 5 0 A 型洛氏硬度计上对3 c r 2 w 8 V 钢 退火、淬火、圆火状态下的不同成分的试样进行硬度 测试，每个试撵选择一个磨裁好的撵走委，穗压头莲 下3 ～4 个雁痕，记录每个压痕的硬度值读数并记 录，然后取平均值，结聚见表3 。 裹33 C r 2 W S V 镶试襻篷褒囊H R C T a b l e3H a r d n e s so f3 C r 2 W 8 Vs t e ds a m p l e 由衷3 可以糈出，在邋火状态下2 试样的硬度 万方数据 1 6 有色金属第6 0 卷 与1 ≠试样基本一致，3 。和4 5 试样的硬度比1 菩试样 略微降低，但并不明显，可视为误差。在淬火状态下 1 { ～3 5 试样的硬度也基本一致，4 5 试样的硬度则 开始下降，与1 试样相比下降了1 1 ．1 ％。回火状 态下情况与淬火状态基本相同，前三个试样基本保 持一致，在4 试样时硬度开始下降，与l 并试样相比 下降了1 1 ．6 ％。这说明在加入适当的微量稀土的 情况下，3 C r 2 W 8 V 钢的硬度并没有明显的改变，而 当加入的稀土量过大时，导致稀土夹杂物的增多，反 而使钢的硬度下降。 2 ．3 稀土L a 对试样强度的影响 用S C H E N C K R S A 2 5 0 电子万能实验机对不同 稀土含量的最终热处理试样进行拉伸强度的测试， 得到3 C r 2 W 8 V 钢试样的拉伸试验数据见表4 ，以及 拉伸曲线对比图如图2 所示。 表43 C r 2 W 8 V 钢试样的拉伸试验数据 T a b l e4T e n s i l et e s td a t ao f3 C r 2 W 8 Vs t e e ls a m p l e 从表4 看出，最大拉力开始时不断升高，在稀土 L a 加入量为O ．2 0 ％的3 试样时达到最大，之后便 开始下降，但总体来说，升高的幅度较高。4 试样 抗拉强度比2 试样略微升高，其抗拉强度提高 0 ．0 4 ％，相差不大。而3 试样比2 试样和1 试样 的抗拉强度分别提高了2 ．3 7 ％和6 ．4 6 ％，有了较大 提高。3 试样的整体性能有了一定的提高可以说 明稀土L a 对拉伸的整体性能有利。然而4 试样与 3 试样相比抗拉强度降低了1 ．9 7 ％，可见稀土L a 的加入量过大时反而使抗拉强度下降。从图2 可以 看出，随加入到钢中稀土量的增加，钢的强度多数呈 现先上升后下降的规律讳所以应在适当的范围内加 入稀土L a 方可提高3 C r 2 W 8 V 钢综合机械性能。 2 ．4 稀土L a 对试样塑性的影响 通过对拉伸试验后的试件尺寸的测量和计算得 到3 C r 2 W 8 V 钢的塑性数据如表5 所示。由表5 可 以看出，2 ≠试样的延伸率比1 试样提高了2 ．3 8 ％， 但断面收缩率比1 等试样下降了6 ．6 3 ％。可见2 5 试 样的变化并不明显，可视为操作误差。3 试样的延 伸率比1 试样提高了4 5 ．2 0 ％，断面收缩率比1 。试 样提高了2 8 ．7 5 ％，是相当明显的。而4 ≠试样的延 伸率比3 试样有了略微降低，降低为6 ．5 6 ％，收缩 率没有变化。总的来说，微量稀土的加入使 3 C r 2 W 8 V 钢的延伸率和收缩率都有不同程度的提 高，其中在稀土L a 加入量为0 ．2 0 ％时达到最大，提 高程度相当明显。也证明了利用加入微量稀土L a 来提高3 C r 2 W 8 V 钢的塑性是非常有效的。 I ，一‘，， 一 l k ⋯；；， | ，“f 。j ；，{ 7 ，．． 澍 J 。 置 孝参蕊 7’ ， ， 茸 ， 』． 十 { ‘一- i ／ ●’ - ， 影， 形’卜 } { ，、7 { ／ii ； ～l ，／| 7 i ’y7 y ⋯。{ 。 ‘ 主簪“ 图2 稀土L a 含量不同的3 C r 2 W 8 V 钢的拉伸曲线对比图 F i g ．2 T e n s i l ed u r v ec o m p a r i s o nd i a g r a mo f3 C r 2 W 8 V s t e e lw i t hd i f f e r e n tL ac o n t e n t 表53 C r 2 W 8 V 钢试样的延伸率和收缩率 T a b l e5S p e c i f i ce l o n g a t i o na n ds h r i n k a g e r a t i oo f3 C r 2 W 8 Vs t e e ls a m p l e 2 ．5 稀土L a 对试样冲击韧性的影响 在J B 一2 0 0 型冲击试验机上对回火状态试样做 冲击试验，1 ～4 试样的冲击功分别为3 5 ．6 ， 4 2 ．7 ，4 8 ．9 和4 1 ．2 J ，2 ～4 试样与l 试样的冲击 功相比分别提高了1 9 ．9 4 ％，3 7 ．3 6 ％，1 5 ．7 3 ％。这 说明在适当的范围内加入稀土L a 后，3 C r 2 w 8 V 钢 的冲击韧性可显著提高。一般情况下，塑性和韧性 是同步的两个性能，一般认为塑性提高，韧性也相应 提高。这是因为晶粒越细，造成裂纹所需要的应力 集中越难，裂纹传播所消耗的能量越高，裂纹在不同 位向的各个晶粒的传播越困难。并且钢中加入稀土 后，稀土能够在晶界首先偏聚，改变晶界状态，净化 晶界，使得晶界的磷偏聚大为减弱，断口的形貌由沿 晶断裂向穿晶断裂过渡，也在一定程度上提高了钢 材的韧性。 万方数据 第2 期郝新等锈对3 C r 2 W 8 V 热作模具钢组织和性能的影响1 7 3结论 加入稀土h 的3 C r 2 W 8 V 钢在相同热处理状 态下，显微组织显著细化，成分更为均匀。稀土h 加入量在适当的范围内，细化效果随稀土含量增加 更为明显。加入稀土L a 。3 C r 2 W 8 V 钢的硬度变化 不大，而抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击韧性在 参考文献 适当的范围内有显著提高。加入稀土L a 含量为 0 ．2 0 ％时，各项指标与不加稀土相比分别提高 6 ．4 6 ％，4 5 ．2 0 ％，2 8 ．7 5 ％，3 7 ．3 6 ％，而稀土L a 含量 为0 ．3 5 ％时，综合机械性能则有所下降。稀土L a 含量0 ．2 0 ％时，3 C r 2 W 8 V 热作模具钢的综合机械 性能最佳。 [ 1 ] 余宗森．稀土在钢铁中的应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 7 2 2 2 5 ． [ 2 ] 徐光宪．稀土[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 1 1 5 1 7 ． [ 3 ] 陈再枝．模具钢手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 5 7 5 9 ． [ 4 ] 田占军，严术生．稀土元素对耐磨铸铁力学性能的影响[ J ] ．物理测试，2 0 0 5 ，2 3 4 2 1 2 3 ． [ 5 ] 陈方明，金泽洪，郑志强，等．稀土元素对锻造模具钢5 C r M m M o 模具钢组织和性能影响[ J ] ．特殊钢，2 0 0 0 ，2 1 6 1 1 1 2 ． E f f e c to fL ao nS t r u c t u r ea n dP r o p e r t yo f3 C r 2 W 8 VH o tD i eS t e e l ’HA0X i n ，G U OH o n g - f 硝，H EZ h i - h u i I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H o h h o t0 1 0 0 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t s0 ft h ea d d i t i o no fd i f f e r e n tc o n t e n tR EL ae l e m e n ti nt h e3 C r 2 W 8 Vh o tw o r kd i es t e e lo nt h e m l 。c r o s t r u c t u r e ，s t r e n g t h ，h a r d n e s sa n di m p a c td u c t i l i t ya rei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e3 C r 2 W 8 Vs t e e li se v i d e n t l yr e f i n e d ，a n dt h es t r e n g t h ，p l a s t i c i t ya n di m p a c td u c t i l i t ya r ei m p r o v e d g r e a t l yw h i l eh a r d n e s si sl i t t l ei m p r o v e m e n ti ft h ec o n t e n to fR EL ae l e m e n ti sp r o p e r ．A n dt h eb e s tc o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f3 C r 2 W 8 Vs t e e li Sa c h i e v e dw h e nt h ec o n t e n to fR EL ae l e m e n ti S0 ．2 0 ％． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；h o tw o r kd i es t e e l ；r e f i n e m e n t ；r a r e - 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