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模具的精密成型是一種周期短，耗能、耗材低，經(jīng)濟(jì)效益顯著的先進(jìn)模具制造方式。自80年代以來在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)萊氏體型鑄造模具的研究及應(yīng)用則較少，這是由于傳統(tǒng)萊氏體型鑄造模具鋼中共晶碳化物呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，雖然具有很高的耐磨性，但其韌性極低，這個(gè)問題一直沒有得到解決。
在新型萊氏體鑄造模具鋼熔煉過程中加入微量變質(zhì)元素，能改善碳化物的形態(tài)和合金元素的偏析，配合熱處理使網(wǎng)狀碳化物轉(zhuǎn)化為粒狀均勻分布。從根本上解決了傳統(tǒng)Cr12類鋼精密成型模具強(qiáng)貨性低的問題，并對(duì)改善該類鋼鍛前碳化物形態(tài)具有指導(dǎo)意義。本文測(cè)試并分析了新型鑄造模具鋼的顯微組織及性能，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，這些工作為該新型鑄造模具鋼的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
1試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見表1.采用5~15kg中頻感應(yīng)電爐，用不氧化法熔煉，當(dāng)溫度達(dá)到1左右時(shí)插鋁脫氧出鋼，在包內(nèi)加入多元復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，在砂型中鑄出寬50mm，厚度分別為15mm、25mm、35mm、45mm的階梯試樣，考察截面尺寸對(duì)碳化物形態(tài)的影響。鑄出125mmX1mmx25mm試樣，經(jīng)1100~1130X：加熱3h，然后空冷至650X：等溫1h，再升溫至880X：，進(jìn)行常規(guī)退火處理。鑄鋼和鍛鋼均加工成10mmX表1試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（1 10mmx55mm的沖擊試樣、10mmx20mmX1mm的三點(diǎn)彎曲試樣（疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂初性）和10mmX1mmx20mm的磨損試樣，經(jīng)過1020X：30mm，然后空冷基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59771003）淬火，20025（X：回火2h，對(duì)疲勞試樣和斷裂韌性試樣分別用線切割切出4mm和7mm的切口5H洛式硬度計(jì)測(cè)試硬度。沖宙韌性試驗(yàn)在B 5型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每個(gè)規(guī)程取3~5個(gè)試樣：在INSTRON1603電磁井振式阮頻疲勞機(jī)上進(jìn)行斷裂韌性/<"u、疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值疲勞裂紋擴(kuò)展速率d/dN的測(cè)定，每個(gè)規(guī)程3個(gè)試樣。
疲勞試驗(yàn)的加載制度見表2試驗(yàn)在室溫表2疲勞試驗(yàn)加栽制度大氣中進(jìn)行，環(huán)境的相對(duì)濕度為4U~50c Table用放大40倍的顯微鏡在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中連續(xù)觀察裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度，取試樣兩側(cè)表面擴(kuò)載荷類a平均軟荷值荷比喊串展長(zhǎng)度的平均值，作出裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與載荷循裂紋擴(kuò)環(huán)次數(shù)々N，曲線，并采用7點(diǎn)遞增多項(xiàng)式數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)Pormin程序計(jì)算AK和da/dN，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作出（da/dV）-A/C曲線，并擬合Paris公式計(jì)算出擴(kuò)展常數(shù)c、m值；按GB6398-86采用逐級(jí)降載法測(cè)出疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值磨損試驗(yàn)在M200型滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用硬質(zhì)合金作對(duì)磨輪（045mmx條件，轉(zhuǎn)速為400r/min.試樣每磨損30min稱S―次，重量損失采用精度為0.0001g的光學(xué)天平稱1.取4次磨損損失的平均結(jié)果，并以鍛逢Cr12類（I-n級(jí)偏析）為基準(zhǔn)來衡量相對(duì)酎磨性=試驗(yàn)材料失重/〖2類鋼失重）a用幻70.5光學(xué)顯微鏡觀察碳化物系態(tài)，用H-800透射電鏡（操怍電壓150kV，分辨率0.4nm）觀察微觀組織，在D/max-rX射線衍射儀上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1碳化物形態(tài)所示為各種狀態(tài)的萊氏體鋼中碳化物的形態(tài)可兕，傳統(tǒng)萊氏體鑄鋼中共晶碳化物非常m定，即使經(jīng)1150X：高溫?zé)崽幚?，仍呈網(wǎng)狀分布（圖la〉。新型萊氏體鑄鋼經(jīng)變質(zhì)處理后4在該類鋼允許的熱處理溫度100―1130X：下，碳化物沿原枝晶呈粒狀均勻分布（圖lb）。在鍛鋼中，隨偏析減少。碳化物趨干細(xì)小且分布均勻。新型萊氏體濤鋼中碳化物形態(tài)與鍛造a 12類鋼（i-iv級(jí)偏析）相近，但其碳化物更加圓整，且無鍛鋼的帶狀偏聚現(xiàn)象a 2.2截面尺寸對(duì)碳化物形態(tài)的彩響m2示出截面尺寸對(duì)新型萊氏本鑄鋼碳化物形態(tài)的影響可見。在不同截面尺寸下，碳化物均呈粒狀均勻分布，隨著截面尺寸的縮小，碳化物形態(tài)變好。這是因?yàn)殡S著截面尺寸的增加。凝固冷卻速度降低，凝固組織中共晶碳化物變得更加粗大。使得熱處理?；蟮奶蓟镄螒B(tài)隨之變差。
2.3新型菜氏體鑄鋼的顯微組織囝3和囝4分別為新型萊氏體鑄鋼的基體組織和碳化物的透射電鏡照片。通過T￡M觀察和X射線結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，新型萊氏體濤鋼的基體組織中大多數(shù)為含有位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)韌性的扳條馬氏體，并含有少世孿晶馬氏體和殘留氏體。碳化物分為一次碳化物和二次碳化物。一次碳化物為原共晶碳化物，?；蟊容^粗大，分布在原奧氏體枝晶間；二次碳化物是在高溫保溫過程中析出的，尺寸較小，分布于晶內(nèi)，經(jīng)衍射標(biāo)定均為型碳化物c（d）標(biāo)定2.4新型萊氏體鑄造模具鋼的性能表3示出了各種模具鋼的力學(xué)性能和耐磨性。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于碳化物的?；?，新型鑄造模具鋼比具有網(wǎng)狀碳化物的傳統(tǒng)鑄造模具鋼的沖擊禚性明顯提高，且已達(dá)到鍛造12類鋼沖擊韌性的下限值，其斷裂韌性及疲勞裂紋擴(kuò)展抗力也明顯高于傳統(tǒng)鑄造模具鋼和鍛造Cr12類鋼?？梢?，該新型模具鋼具有較高的強(qiáng)禚性。同時(shí)，其耐磨性高于同樣硬度下的傳統(tǒng)鑄造模具鋼和鍛造12類鋼，保證了該新型鑄造模具鋼的高耐磨性。
表3各種橫具銦的性能對(duì)比鋼種碳化物形態(tài)疲勞擴(kuò)展常數(shù)耐磨性（150失重/mg新型鑄造模具鋼粒狀傳統(tǒng)鑄造模具鋼網(wǎng)狀12類鍛鋼3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)為了驗(yàn)證新型鑄造模具鋼的強(qiáng)性和耐磨性能否滿足實(shí)用工模具的工況條件要求，本文作者在江蘇省武進(jìn)鏈條廠選擇了24A內(nèi)鏈板板孔修孔拉刀作為實(shí)用工模具。利用這種拉刀的刃口對(duì)硬度為HRC43~51的鏈板板孔進(jìn)行修整，由于刃口的存在和被加工工件的高硬度，對(duì)拉刀的強(qiáng)禚性和耐磨性均提出了較高的要求。采用金屬型覆砂鑄出025mmx150mm的坯料，經(jīng)共晶碳化物?；嘶鸸に?，加工成020mmx 132mm的拉刀，熱處理工藝采用1 020X：淬火、200X：回火2次，終硬度為HRC61.5，與M2高速鋼拉刀的硬度HRC62.5相近。
試驗(yàn)結(jié)果表明：該廠原有的M2高速鋼拉刀在拉制鏈板內(nèi)孔時(shí)，拉到300kg左右（4 500~5000次），拉刀就已超差不能使用；而新型鑄造模具鋼拉刀可拉到450kg左右（7 0007500次），才超差失效，其使用壽命是M2鋼拉刀的1.5倍。觀察兩種拉刀的磨損表面可發(fā)現(xiàn)，原M2鋼拉刀表面有毛刺出現(xiàn)，而新型鑄造模具鋼拉刀表面無毛刺，且無崩刃現(xiàn)象。傳統(tǒng)萊氏體鋼拉刀拉到100kg左右就發(fā)生崩刃而不能使用?？勺C明該新型萊氏體鑄造模具鋼具有高的耐磨性和強(qiáng)禚性，可滿足工模具的性能要4分析與結(jié)論碳化物形態(tài)是影響鋼鐵材料性能的主要因素，特別是對(duì)萊氏體鋼，網(wǎng)狀碳化物的存在不僅降低鋼的整體強(qiáng)鈿性，而且易于萌生裂紋，并為裂紋擴(kuò)展提供低能量通道。這決定了傳統(tǒng)萊氏體鑄造模具鋼具有很低的強(qiáng)禚性，限制了其廣泛的應(yīng)用。新型萊氏體鑄造模具鋼在韌性的板條馬氏體基體上分布著粒狀（Fe、Cr）7C3型碳化物，保證了該鋼具有高的耐磨性；而且碳化物顆粒圓整、分布均勻亦使鋼的整體強(qiáng)禚性得到提高，且對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展具有高的抗力。因此，新型萊氏體鑄造模具鋼有高的強(qiáng)初性。
通過向熔煉過程中的新型鑄造模具鋼中加入微量變質(zhì)元素進(jìn)行變質(zhì)處理，可改善其凝固組織中碳化物的形態(tài)和合金元素的偏析，配合熱處理在非鍛造條件下獲得具有粒狀均勻分布的碳化物形態(tài)。
變質(zhì)處理改善碳化物形態(tài)受截面尺寸的影響，隨著截面尺寸的增加，凝固冷卻速度將降低，凝固時(shí)間增加，變質(zhì)效果降低，同時(shí)粗大的碳化物也阻礙碳化物形態(tài)的改善。因此使碳化物形態(tài)相對(duì)變差，直接影響該新型模具鋼在大、中型模具上的應(yīng)用。冷作模具的工況特點(diǎn)決定其一般具有較高的強(qiáng)度，受力僅局限于工作表面極小的范圍內(nèi)。通過精密鑄造表面急冷作用，可在模具工作表面一定的范圍內(nèi)得到良好的?；M織，足以保證大、中型模具對(duì)顯微組織的要求。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，新型鑄造模具鋼由于碳化物的粒化，強(qiáng)韌性明顯提高，消除了傳統(tǒng)萊氏體鑄鋼在使用中由于強(qiáng)韌性低出現(xiàn)的崩刃現(xiàn)象。由于采用對(duì)強(qiáng)韌性和耐磨性要求較高的拉刀做為實(shí)際工模具，可滿足大多數(shù)工況下對(duì)模具的使用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。
新型萊氏體鑄造模具鋼基體組織以位錯(cuò)馬氏體為主，含少量孿晶馬氏體和殘留奧氏體；碳化物為（Fe、Cr）7C3型，一次碳化物沿枝晶間呈粒狀均勻分布，并在晶內(nèi)析出大量二次碳化物。
新型萊氏體鑄造模具鋼具有高的強(qiáng)韌性，其沖擊初性明顯高于傳統(tǒng)萊氏體鑄鋼，接近鍛造類鋼Cr12的下限值；其斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力明顯高于傳統(tǒng)萊氏體鑄鋼和鍛造Cr12類鋼，且具有高的耐磨性。
用新型萊氏體鑄造模具鋼制作鏈板高耐磨修孔拉刀，其壽命是鍛造M2高速鋼的1.5倍，且無崩刃現(xiàn)象，證明該新型鑄造模具鋼可滿足大多數(shù)工況下對(duì)模具的使用要求。
