这些年, 跟着塑性加工技术持续进步, 极力倡导精品模具, 近终形产品, 用于制造螺栓、汽车部件等的, 精细冷冲模材料因硬度不足致使尺寸精度下降的问题屡屡出现。在借由塑性变形均匀性达成组织均匀化之际, 还得具备必要的强度与硬度。对模具材料, 有通过精细加工来保持高度尺寸精度的要求, 还有抵抗磨损消耗的要求, 且这种要求越来越高, 高的强度和耐磨性是模具材料最基本要求, 有代表性的冷作模具钢SKD11淬回火硬度能达到60HRC以上, 以此满足使用要求。从SKH51高速工具钢起, 到SKS3合金工具钢, 都存在淬回火硬度方面的要求, 高速钢系列普遍有着如下要求, 即高温淬火, 温度要≥1,423K, 而合金工具钢SKS3, 其耐磨性略微低些, 一般是经过高温回火从而产生二次硬化效果, 通常来讲, 需要经过673K以上的PVD以及渗氮表面处理。大力去开发新型冷作模具钢, 具备高速钢的硬度, 同时兼顾韧性配合, 这是冷作模具钢的发展趋势。高速钢跟SKD11相比较, 需要更高的淬火温度, 其使用范围存在局限性。

上面所述内容综合起来看, 高性能冷作模具钢开发存在着关键点, 其一, 要拥有高速钢系列那种高硬度, 也就是硬度要大于或等于64HRC；其二, 能够开展表面硬化处理, 且是经过2次高温回火的那种；其三, 在经过与广泛应用的冷作模具钢一样的热处理条件, 即1,303～1,323K之后, 进而获得良好的硬度。此次研究的目的在于, 运用与广泛应用的冷作模具钢相同的淬回火工艺, 依据成分计算, 实现合理的合金元素配比, 从而开发出淬回火硬度不低于64HRC的新型冷作模具钢。

1 Ms点、γR及合金元素的影响

1.1 实验方法

影响冷作模具钢淬回火硬度的主要合金元素被称作: C、Cr、Mo、V（4因子）, 成分设计为: 重量（%）, 0.90%~1.10%C, 5.00%~7.50%Cr, 3.00%~5.00%Mo, 0~0.50%V范围设定, 其他合金元素（Mn、Si、Ni等）适量, 经真空精炼炉浇注100kg的钢锭进行实验, 在1,348K锻造加工成直径ϕ30mm棒材, 再经1,143K退火处理。试料的奥氏体温度, 也就是所谓的γ化温度, 采用广泛应用的冷作模具钢, 在1303K、1323K这两个温度下保温1.8ks, 然后空冷淬火, 测定淬火硬度, 即以上的HQ、Ms点以及γR。如图1之所见、之示, 测定冷却过程中热膨胀曲线的转变点Ms点, 于773 - 873K温度范畴保温3 ks后空冷, 历经两次回火, 去测定最高的淬回火硬度, 也就是HT, 上述材料的生产以及实验过程如图2所示。

1.2 实验结果及分析

（1）Ms温度及合金元素的影响。

对于高硬度的冷作模具钢而言, 成分设计、Ms点温度以及碳化物的控制在当下是极为关键重要的重要课题。C、Cr、Mo、V是工模具钢当中具有显著代表性的具备某种特定标识、能与其他元素区分开来的合金元素。被称作是奥氏体的、由碳溶解于γ - Fe晶格间隙致使形成的间隙固溶体, 它有着面心立方这种能够体现其结构特征的结构, 属于被定义为高温相的一种物质, 其强度和硬度超过铁素体, 塑性和韧性表现挺好或者说具有能满足一定使用需求的特性, 而且没有磁性, 它的具体力学性能是跟含碳量以及晶粒大小存在关联关系的。伴随碳含量的往上增长幅度不断加大, Ms点呈现出来往下方降低减少的状态, 由于碳含量的这种提升增加致使残余奥氏体也跟着、按一定比例或者趋势增加了起来, 进而引起产生淬火之后、使得硬度出现降低下降或者说达不到预期硬度标准这些情况发生。Cr、Mo、V当中是强碳化物形成元素, 具备增加制品硬度、提升其耐磨性的功能, Cr可以和Fe形成出连续固溶体, 它还会与碳生成多种类别化的碳化物, 以此强化制品的耐磨性Mo、V经过高温回火之后, 特殊碳化物会沉淀并且析出来, 以弥散状态分布开来, 从而达成二次硬化的效果。众人皆知, Mo具备降低Ms点的功效, 然而其效果并不十分显著, Cr会致使Ms温度降低, 其作用仅次于C、Mn, 要是Cr以碳化物形态存在于奥氏体里, 将会相对削减奥氏体中Cr和C的浓度, 反倒会使Ms点提升, 故而真正对Ms点的升降起着决定性作用的乃是淬火时Cr在奥氏体中的浓度。V对于Ms点以及淬火之后的残余奥氏体含量所造成的影响, 同样是取决于它于钢中的存在状态, 当V固溶在奥氏体里面的时候, 会降低Ms点, 并且增加残余奥氏体含量, 然而要是以碳化物微粒状态存在的话, 就会产生相反的结果。对诸多的Ms计算公式进行了综合考量。Lzumiyama针对二元系平衡相图里合金元素对Ms温度的影响展开调查, V对Ms点也有使之上升的作用。并且, 经由对高碳工具钢的Ms温度实际测量, 和历来所采用的低合金钢的Ms温度计算公式存在诸多分歧。在这里, C会与基体固溶, Cr会与基体固溶, Mo会与基体固溶, V会与基体固溶, 它们会形成碳化物, 奥氏体中实际存在的浓度都要充分考虑。

这项研究是倚靠专门实验测定作根基, 进而求取Ms点以及与之对应的合金元素所占比例。就像图3所展现的那般, C、Mo量的增加致使Ms有所降低, 尤其是C所产生的影响更为显著。这种情况和过往一直以来的Ms计算公式并不违背。Cr、V在特定成分范围之内会让Ms点出现升高, 在这儿Cr、V是以碳化物形态存在于奥氏体之中, 如此一来便会相对减少奥氏体里C、Cr、V的浓度, 所以才会让Ms点升高。对于在这里的合金元素经由受重量%影响而对Ms温度所产生的综合影响, 提出一参数P, 此P值的计算方式与历来Ms的计算公式相同, 合金元素就其影响而言呈现线性分布。

式中，C，Cr，Mo，V为熔炼分析。

（2）P值、Ms点及γR关系。

先是, 像图4展现的那样, 经过整理之后的三者关系示意图。从图能够看得出: P值跟Ms呈现出呈线性正比例关系, 它的线性方程式按照式（2）所表明的那样。

从图4能清晰地看出, 随着Ms不断增加, 处于淬火状态的γR会有所降低。在此处, Ms点的上升跟淬火状态下马氏体的变化存在关联。在进行高温回火的时候, 会产生二次硬化, 这种硬化作用是因大量残余奥氏体在回火后冷却时发生转变或者分解而致使的, 和钒、钼等碳化物形成元素, 在淬火后回火时, 其特殊碳化物形成、沉淀析出、弥散分布所引发的二次硬化机理是不一样的。

（3）淬回火硬度与P值。

其次, 如图5所示, 存在经整理后的P值、HQ、HT关系示意图。伴随P值增大, γR减小, HQ呈单调增加态势。从实验结果显现出, P等于 -50左右时存在最大值。C对P值的影响最为突出显著。在高C区域, 也就是P值小的区域, 随γR增加HQ减少。在低C区域, 即P值大的区域, 马氏体中固溶C含量减少致使HQ降低。可以明确看出, HT与P值存在明显的关系。当通过成分设计确保HQ大于63HRC的时候, 存在HT大于等于64HRC的范围, 在满足HQ大于等于64HRC, 对于P值处在P等于负40到负70这个范围时, 借助合金元素配比, 进行能够稳定控制HT大于等于64HRC的合理成分设计。

2 淬回火硬度及P值

2.1 实验方法

经上述内容表明, 从图5能够观察到, 将P值把控在-40至-70的范围之内, 能够获取不小于64HRC的淬回火硬度。于此, 依据图4能够知晓, HQ达到峰值的时候大概处于P=-50左右, 成分重量%大约为: 0.90%至1.10%C, 5.00%至8.00%Cr, 3.00%至5.00%Mo, 0.40至0.90%V的H1至H4钢种的成分进行设计(见表1)。

试验材料的生产工艺, 呈现于图2, γ化温度被分别设定为, 1,303K、1,313K、1,323K这3个温度, 随后开始测定H Q、H T、γ R, 如表2所示, 运用电解析出, 通过X射线测定碳化物。

2.2 实验结果分析

（1）H1～H4钢的硬度、Ms点及γR。

然而, 在温度为1,303K的情况下, 保温时长达到1.8ks后进行淬火, 此时, H1、H2跟H3、H4相比较, HT低了0.4~0.9个点, 并且, 随着淬火温度的不断增加, H1、H2以及H3、H4的HQ差异呈现出减少的情况。

（2）碳化物的变化。

开展针对在1,303K淬火的H1、H2以及H3、H4钢生成的差异的深入探究。如同图6所展示的, 进行H1～H4钢的淬火态X射线衍射结果剖析。H1钢于1,303K淬火之际的M 23 C 6碳化物衍射峰值, 跟在1,323K淬火时的M 23 C 6碳化物衍射峰值是不一样的。H1钢的M 23 C 6碳化物, 是那种富含Cr的碳化物, 在1,323K进行奥氏体化的时候, 几乎全部都会溶解；M 7 C 3（d=0.205nm）与M 6 C（d=0.213nm）碳化物, 它们的衍射峰值很接近。对于H 1、H 2钢而言, 当淬火温度上升时, M 6 C与M 7 C 3碳化物的峰值, 相比起来明显偏低。如下进行总结:, H 1、H 2钢施行高温淬火, 相对较大量的M 6 C碳化物溶入到马氏体之中, M 6 C碳化物属于富含Mo的那种碳化物, H1、H2钢于1,303K的温度下Mo并未完全实现固溶。而对于H3、H4钢而言, 在1,303K、1,323K温度进行淬火之时M 6 C、M 7 C 3的衍射峰值被确认是存在的, 在这两个温度下M6C的固溶量差别是比较小的。Mo属于碳化物形成元素, 高温回火之际, 出现析出细小碳化物的情况, 进而产生二次硬化效果, 等到温度至1,303K , H1、H2以及H3、H4钢HT存在差异, 经推断, 这种差异源于淬火时Mo的固溶量不一样。于H3、H4钢当中, 能够确认存在MC碳化物, 此MC碳化物是富含V的碳化物, 其硬度较高（2,500～2,800HV）, 高温淬火之时会固溶到基体里。如同表1所显示的, H3、H4钢添加的合金元素V数量较多, 理应是基体固溶之后过剩的V形成了MC型一次碳化物。

3 P值的冶金学意义

3.1 合金元素在基体中固溶量的预测

P值是用以衡量高C-Cr-Mo-V系工具钢之中化学元素的关键要素, 此化学元素与Ms点紧密相关, 它是有效设计Ms、γR及HQ的参数指标。并且, 对于淬火状态下马氏体中合金元素的含量和P值的关系予以讨论。对处于淬火状态的H1至H4钢材料, 借助ICP展开分析, 按照式（3）进行基体中合金元素含量的计算, 即基体中合金元素含量等于熔炼分析减去ICP分析值（3）, 运用热力学数据库Chemsage来计算H1至H4钢在1,303K、1,323K时基体（γ相）的平衡组织, 进而对基体中合金元素的含量予以比较, 同时将ICP分析与实测值作比较, 从图7能够看出, V的实测值和计算值几乎是一致的。参照表1的V的添加量, 与固溶于基体V的含量相比照, 差别不大于25%至53%之间, 剩余的V多数形成一次碳化物。并且, 在图7b的1313K之时、图7c的1323K之时, 可以看出其中基体中Cr的计算值与实测值的趋势相似。而Mo的实测值与计算值偏离较大。另外, 在图7a的1303K温度情形下, H1钢, 其P是 -44.3 , H2钢, 其P是 -51.0 , 二者的Cr、Mo固溶含量的实测值比计算值略低。X射线的衍射结果, 参照图6, 基本一致。并且, H2钢当中Cr含量这一实测的值同计算获得的值出现了偏离, 借助X射线的衍射结果是很难去作出符合性说明的。

然而, 不管是从哪一方面而言, 在具备1303K温度的情况下进行长时间的保温流程, 经过计算得出的γ相的平衡组织构成与理论所做出的预测呈现出一致情形。对于ICP而言, 其中C的定量分析操作存在较大困难, Chemsage所给出的预测值中C的含量存在着0.4至0.6mass%的偏差情况。SKH51以及SKD11处于淬火状态时, 其固溶C量大约存在0.5mass%上下的偏差幅度, 这种偏差幅度能够作为近似值来予以参考。

3.2 P值与基体中合金元素固溶量的关系

在处于一定状态并且是奥氏体的温度情形下, 借助用热力学数据构建起来的模型能够推断出经过淬火状态的基体所具备的组成相。在本文里, 从12种展开试验用的料材当中挑选出8种具有代表性意义的钢种, 运用Chemsage模型, 分别于1,303K、1,323K的温度条件下针对基体（γ相）那种平衡的组织展开测试。就如同图8所呈现表明的那样, γ之中对于合金元素的固溶量（通过计算求解得出的数值）与P值之间存在着关联关系。在图8里是以各个合金元素的总量占据γ相总量的重量百分数来进行计算统计的。从图8能够清晰地瞧出来, 随着P值不断地有所增加，基体当中C的固溶量呈现出降低的情况。此外, 于P值既定之一定范围以内, 伴随P值递加, 固溶之内的Mo含量呈现降低态势。Cr以及V的固溶数量, 随着P值递增而呈单调递增状态。

在这里, C的固溶量与P值呈现出反比例的关系, Mo的固溶量亦与P值显现出呈反比例这般情况, 而Cr的固溶量和P值是呈正比例表现的, 呈正比例这种表现的还有Mo的固溶量与P值, 依据P值的计算公式也就是①式, 各元素前置符号能够明显地将这种情况反应出来。C含量的降低致使Ms点上升, P值的增加让γR降低, HQ增加。在高温回火这个情况下, Mo、V析出细微碳化物发挥了二次硬化作用, 这也是淬火时合金元素充分固溶所产生的结果。

在 P 处于 -40 至 -70 的这个范围内, 针对 H1 到 H4 钢而言, 当出现 HQ 大于或等于 64HRC 的情况时, 基体里的 C 能够充分地进行固溶 , Mo 与 V 的最佳配比 , 在高温回火期间发挥出了良好的二次硬化效果 , 从而获得较高的 HQ 值。

3.3 Ms点与P值关系

Ms点跟奥氏体成分构成存在紧密联系, 通过各个合金元素组成来计算Ms点的办法有很多。可是, 针对Ms点的计算, 在合金元素完全溶入基体这个前提条件下, 假如形成复杂碳化物, 高碳合金工具钢里碳及合金元素全部溶入时, Ms点的预测难度颇高。在若干Ms点计算公式当中, Andrews公式, 也就是直线式, 以及Steven和Haynes公式, 对低合金钢、高合金钢的Ms点预测发挥了一定作用。然而, Steven与Haynes公式里头、V的那种作用, 是应当追加进去加以考虑的。至于Ms点的涉及计算这块儿, 情况是像表4所展示的那样子。

本文运用到C - Cr - Mo - V系工具钢, 周全考量基体γ相的构成以及配比关系对于Ms点的作用。于1,323K的γ相平衡组织里（此组织是以γ相为100%的C、Cr、Mo、V、Si以及Mn的固溶量）, 借助Chemsage展开计算, 像表4所呈现的那样, 计算获取Ms点, 以及与P值的关联关系。图9所展示的是Ms点与P值的关系。图9所显示的是通过线性回归式子得出Ms值和各个理论计算值进行比较, P值与Ms值呈现出线性递增的态势。图8所展示的, 是P值的变化, 以及此变化与基体中合金元素固溶量变化两者之间的关系所在。在各个合金元素共同发挥的综合作用之下 , 对P值产生了一定程度的影响。

Ms 点的计算所得数值和理论给出的值有着比较大的差异, 在本文当中, 借助热膨胀曲线温度拐点实测 Ms 值, 故而存在一定程度的差别。

以上, P值跟Ms点存在着紧密的关联, 冶金学方面而言, P值同基体之中合金元素的固溶量有关联, 也就是说, Ms点乃是各个合金元素作用所形成的综合结果, 本文适用于高C-Cr-Mo-V系列的工具钢, 本研究考量Ms点是从熔炼成分分析着手, 计算得出P值, 在未来, 对于高耐磨性、高强韧性的高性能冷作模具钢的开发, 于兼顾碳化物的形态、分布上, 有必要针对合金元素的含量以及配比开展预测, 并进行深入的研究。

4 结束语

剖析冷作模具钢经淬回火后的硬度情况, 以及考究其中C、Cr、Mo、V含量所产生的相关影响, 进行分析之后, 概括起来存在以下几点:

（1）本系列冷作工具钢的Ms点, 其γR、HQ以及P值之间, 存在着这样的关系:

关于熔炼分析, 其中一项的数值范围是等于零点九零至一点一零百分比, 另一项是等于五点零零至八点零零百分比, 还有一项是等于三点零零至五点零零百分比, 最后一项是等于零至零点九零百分比。

（2）P跟Ms点呈现出线性递增的关系, 与此同时, γR有所降低, HQ的最大值出现在P等于负五十左右之际, 之后存在减少的倾向。

（3）在P处于-40至-70这个范围之内, 开展成分设计, 基体当中, 有着适宜的C含量, 能够得到高的HQ值, 在高温回火的情况下进行相关流程, 二次硬化呈现良好效果的Mo、V所形成的碳化物析出效果颇佳, 最终可以得出高于64HRC的HT值。

（4）把合金元素进行有规划的成分设计, 使其达到合理配比，进而让P处于约-50的数值, 当淬火温度是1,323K的时候, 确保广泛应用的工模具钢HT能够大于或等于64HRC。