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微量元素对新型铸造高Cr热作模具钢热疲劳性能的影响

梁宏钦  
【摘要】:热疲劳是热作模具的主要失效形式。据统计,热作模具中由于热疲劳而导 致失效的占模具失效总量的 60~70%。我国每年消耗热作模具钢数约 4~5 万吨, 价值数亿至数十亿元。因此,提高热作模具的热疲劳性能具有重大的国民经济 意义。模具钢的热疲劳研究是热疲劳研究的代表方向之一。以往关于模具钢热 疲劳问题的研究在选材上几乎全部集中于锻造材料,而对于铸造模具钢此方面 的系统研究则比较少见。尤其值得一提的是,近些年来铸造模具材料的研究获 得了飞速发展,以铸代锻使模具生产大大降低了成本,缩短了生产周期。因此, 铸造模具材料的热疲劳研究是具有实际理论意义的。 本文以吉林大学自行研制开发的新型铸造高 Cr 热作模具钢为研究对象, 通过光学显微镜、SEM、能谱分析、冲击韧性、硬度、抗氧化性试验、热稳 定性试验以及热疲劳试验等,研究了微量元素(Y、Ce 和 N)对新型铸造高 Cr 热作模具钢织、力学性能、抗氧化性与抗热疲劳性能等的影响规律及作用 机制。 本研究在钢中加入微量元素(Y、Ce 和 N),通过分析实验结果发现: (1) 本研究在新型铸造热作模具钢中加入微量元素 Y、Ce、N,并发现当 Y、 Ce、N 分别为 0.01、0.03、0.06wt. %时,本研究钢的性能最佳。与未加 微量元素的钢相比,晶粒度提高 25%,组织中的夹杂物尺寸明显减小约 2 倍,形态由不规则的块状转变为椭球状或球状,分布也较变质前更加 均匀;韧性提高 150%,硬度提高 14%;且在相同的热疲劳实验条件下 (650℃?20℃),新型铸造高 Cr 热作模具钢的抗热疲劳性能与 H13 相 比提高 1 倍,与未加微量元素的钢提高 1.5 倍。 (2) 本研究发现,单独加 Y 变质后,与未变质钢相比,主裂纹扩展速率减 小 1 倍,表面龟裂不明显,热疲劳性能提高 1 倍左右,硬度衰减值降低 43%,抗软化能力得到提高;并且当 Y 含量为 0. 01 wt. %时,热疲劳性 83 WP=91 能达到最佳;硬度和韧性分别提高 14%和 98%。 (3) 单独加 Ce 变质后,与未变质钢相比,裂纹萌生寿命得到提高,主裂纹 扩展速率减小 1 倍,表面龟裂不明显,热疲劳性能提高 1 倍左右,硬 度衰减值降低 39%,抗软化能力得到提高;并且当 Ce 含量为 0. 03 wt.% 时,热疲劳性能达到最佳;硬度和韧性分别提高 12%和 104% (4) 单独加微量元素 N 后,较未加 N 钢相比,主裂纹长度变短,裂纹扩展 速率减小 1 倍,表面龟裂不明显,热疲劳性能提高 1 倍左右,硬度衰减 值降低 43%,抗软化能力得到提高;并且当 N 含量为 0. 06 wt.%时,热 疲劳性能达到最佳;硬度和韧性 13%和 100%。 (5) 新型铸造高 Cr 热作模具钢具有非常优良的抗氧化性。在 630℃保温 20 小时的同一实验条件下,Y-Ce 混合变质的试样抗氧化性较未变质的铸 造高 Cr 钢和 8407 钢提高分别提高 47.86%和 53.07%,与德国蒂森钢相 当。 (6) 新型铸造热作模具钢的热疲劳裂纹的扩展是沿晶扩展。氧化物或硫化物 的形态、尺寸的不同对裂纹的扩展的影响不同,一般地,形状不规则、 带棱角的氧化物在疲劳扩展过程中,容易产生应力集中,这些氧化物像 “楔子” 一样加速裂纹的扩展;一些形状规则的方块状的氧化物同样 会加速热疲劳裂纹扩展;而一些椭圆状或球状的氧化物不易产生应力集 中,而且在热疲劳裂纹遇到这些氧化物时,需要绕道扩展,增加了裂纹 扩展路径,减缓了裂纹扩展速率。 (7) 新型铸造高 Cr 热作模具钢的热疲劳机制与氧化密切相关。氧化大大地 促进了热疲劳裂纹的萌生与扩展。热疲劳裂纹在晶界或第二相质点与基 体脱开处萌生,并沿着被氧化的晶界迅速扩展,新型铸造热作模具钢中 高的 Cr 含量大大改善其抗氧化性能。另外,稀土元素在合金表面形成 稀土氧化物(Y2O3和 Ce2O3等)质点可作为 Cr2O3膜的形核核心,促进 保护膜的形成,从而改善新型铸造热作模具钢的抗氧化性能,使其热疲 劳抗力强于锻造 H13、一胜百 8407。 新型铸造高 Cr 热作模具钢通过自身综合性能,裂纹扩展形貌、路径等影 响热作模具钢的热疲劳抗力。单一的性能指标无法科学准确地衡量其热疲劳性 能,只有强度、塑性、韧性、抗氧化性、热稳定性具有良好的配合才是新型铸 造高 Cr 热作模具钢获取较佳的热疲劳性能的途径。 新型铸造高 Cr 热作模具钢是一种高寿命、低成本、低能耗、高材料利用 84 WP=92 率的热作模具钢,在环保和经济效益上都有较大的优越性,应用前景十分广阔。


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