作者：蔡 清， 劉 明， 馮淑玲， 潘彥豐， 趙長順（撫順特殊鋼股份有限公司技術中心）

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【摘要】利用硬度、 沖擊和拉伸試驗機對兩種試驗鋼4Cr13Si和4Cr13進行了力學性能測試， 分析了矽元素對試驗鋼在不同熱處理溫度下的硬度、 韌性和強度的影響。研究表明，含矽的4Cr13Si鋼的高溫回火硬度高于4Cr13鋼， 而且4Cr13Si鋼在650℃的硬度仍可達到35HRC左右。由于鋼中添加大量的矽元素推遲了馬氏體的分解， 4Cr13Si鋼的沖擊韌性不及4Cr13鋼， 尤其在高于530℃的高溫回火後二者沖擊值差别明顯。試驗鋼的拉伸和屈服強度随回火溫度的提高先升高後降低， 含矽的4Cr13Si鋼在試驗溫度範圍内拉伸強度和屈服強度均高于4Cr13鋼。

關鍵詞：矽；耐蝕塑料模具鋼；力學性能；影響

1 引言

耐蝕型塑料模具鋼主要以Cr13型馬氏體不鏽鋼為主。由于Cr13型耐蝕塑料模具鋼有良好的力學性能、 耐腐蝕性、 抛光性等， 主要應用于含有揮發性腐蝕氣體的塑料制品模具上。4Cr13是可淬硬的馬氏體不鏽鋼 [1~2] ， 通過添加合金元素和熱處理的方式來優化和改良模具的使用性能。本文在4Cr13鋼中添加了1%左右的矽元素， 研究矽在4Cr13鋼中的作用及熱處理過程中各項力學性能的變化， 該研究結果為模具生産過程中熱處理工藝制定提供了一定的依據。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗材料的化學成分如表1所示， 兩種材料的冶煉工藝為：電爐冶煉， LF爐外精煉和VD真空脫氣， 電渣爐重熔鋼錠， WF-540精軋機軋制成材， 成品截面尺寸為90×305mm。

2.2 試驗方法

在鋼材端面截取15×20×20mm硬度試樣， 7×10×55mm 的無缺口沖擊試樣及 ϕ 10×120mm 的拉伸試樣。利用TH300型洛氏硬度計進行洛氏硬度檢測，ZBC-300型沖擊試驗機測試沖擊值， WDW3300型拉伸試驗機測試抗拉強度R m 、 屈服強度R p0.2 、 斷後伸長率A%、 斷面收縮率Z%。

3 試驗結果及讨論

3.1 淬火、 回火硬度

試驗鋼均在970℃～1,110℃溫度範圍内保溫後油冷， 測試試驗鋼的淬火硬度， 淬火溫度與硬度的關系曲線如圖1a所示。兩種試驗鋼從970℃~1,050℃随着淬火溫度的提高硬度值明顯增加， 1,030℃~1,050℃硬度值最高可達53.0HRC以上。從1,050℃開始随淬火溫度的升高硬度逐漸降低， 4Cr13鋼在1,050℃以後淬火硬度降速相對較快。

選擇1,030℃淬火， 對試驗鋼進行回火處理， 回火溫度在200℃～650℃範圍内， 每個溫度下回火兩次。測試不同回火溫度下試驗鋼的硬度變化， 如圖1b所示。兩種試驗鋼在200℃～510℃回火硬度随溫度的升高， 硬度稍緩下降後又升高。在510℃時硬度達到了峰值， 分别為50HRC和49.9HRC。随溫度的繼續升高， 試驗鋼的硬度迅速降低， 從550℃開始4Cr13Si鋼硬度降低速度變的緩慢。當溫度達到 650℃時，4Cr13Si鋼的硬度仍可在35HRC左右， 而4Cr13鋼的硬度為30HRC左右， 從硬度變化來看， 矽元素提高了材料的抗回火性能 [3~4] 。

3.2 沖擊性能

同樣， 采用1,030℃淬火， 在200℃～650℃進行回火， 回火後進行沖擊測試， 觀察在不同回火溫度下兩種材料的沖擊值變化情況， 如圖2所示。在200℃～530℃回火時， 兩種材料的沖擊值差别不大， 沖擊值現緩慢升高再減小， 在 490℃同時達到了最小值。從490℃開始， 随溫度的升高， 沖擊值急劇升高。從530℃以後兩種材料的沖擊值顯現出較大的差别， 在590℃差值最大， 此時4Cr13比4Cr13Si的沖擊值高出44J。4Cr13 鋼在不同回火溫度下的沖擊值均高于4Cr13Si鋼， 說明矽元素不同程度降低了鋼材的沖擊韌性 [5] ， 尤其在高溫回火時沖擊韌性降低比較明顯。

圖1 試驗鋼的硬度随溫度的變化曲線

a — —淬火硬度變化 b — —回火硬度變化

圖2 試驗鋼的沖擊值随回火溫度的變化

圖3給出了兩個材料在490℃和590℃下的沖擊斷口形貌。對比來看， 490℃時兩種材料的斷口上均呈現出沿晶斷裂的形貌；在590℃時4Cr13鋼的斷口上有較多的韌窩， 而4Cr13Si鋼的幾乎不存在韌窩， 而且有沿晶開裂的形貌存在 [6] 。二者相同的熱處理制度下表現出不同的斷口形貌， 主要是由于矽元素為非碳化物形成元素， 但能夠溶解到ε-FexC中， 使ε-FexC穩定， 減緩了回火過程中碳化物的聚集， 推遲或抑制了馬氏體的分解 [7] 。

圖3 試驗鋼在490℃和590℃回火時的沖擊斷口形貌

a — —4Cr13Si鋼490℃回火斷口 b — —4Cr13Si鋼590℃回火斷口

c — —4Cr13鋼490℃回火斷口 d — —4Cr13鋼590℃回火斷口

3.3 拉伸性能

圖4為試驗鋼在不同回火溫度下的拉伸性能各項指标的變化情況。圖4a為拉伸強度随回火溫度的變化曲線， 在200℃～510℃時随溫度的升高拉伸強度先降低後升高， 在510℃達到了最大值， 4Cr13Si鋼最大值為2,023MPa， 4Cr13鋼最大值為1,871MPa。随着溫度的繼續升高， 其拉伸強度迅速下降， 下降的同時二者的強度差值越來越大， 在650℃時4Cr13Si的拉伸強度比4Cr13鋼高93MPa。圖4b所示為試驗鋼的屈服強度随回火溫度的變化曲線。同樣， 在510℃時二者均存在一個峰值， 在峰值左側随回火溫度的提高屈服強度逐漸增加， 在峰值右側随回火溫度的提高屈服強度迅速降低。從570℃開始4Cr13Si鋼的降速變緩， 而4Cr13鋼降速仍然很快。整體來看， 鋼中添加了矽元素可提高抗拉強度和屈服強度。

圖4c和圖4d所示為試驗鋼在不同回火溫度下的伸長率和斷面收縮率的變化曲線。鋼材的伸長率和斷面收縮率同時反映了鋼材的塑性的好壞， 伸長率和斷面收縮率越高， 其塑性越好。圖 4c 中伸長率在490℃～510℃出現了一個最低值， 此時4Cr13Si鋼的伸長率為7%， 4Cr13鋼的伸長率為7.5%。在570℃之後4Cr13Si鋼伸長率的增幅降低， 在610℃時與4Cr13拉開了較大的差距， 二者最大相差2.5%。圖4d中斷面收縮率在490℃出現了最低值， 在試驗溫度範圍内4Cr13的斷面收縮率均稍高于4Cr13Si鋼。

圖5a和圖5c為4Cr13Si鋼和4Cr13鋼在510℃的斷口形貌， 二者均存在沿晶開裂的形态。圖5b和圖5d所示為4Cr13Si鋼和4Cr13鋼在610℃的斷口形貌，無沿晶開裂形态， 其中存在大量的韌窩， 韌窩中存在碳化物。主要是由于回火溫度的提高， 硬而脆的馬氏體開始分解成回火索氏體和碳化物， 韌性增加 [8~9] 。

圖4 試驗鋼不同回火溫度下的拉伸性能各項指标變化

a — —拉伸強度 b — —屈服強度 c — —伸長率 d — —斷面收縮率

圖5 試驗鋼在510℃和610℃回火時的拉伸斷口形貌

a — —4Cr13Si鋼510℃回火斷口 b — —4Cr13Si鋼610℃回火斷口

c — —4Cr13鋼510℃回火斷口 d — —4Cr13鋼610℃回火斷口

4 結論

（1） 試驗鋼在不同溫度下回火時， 含矽的4Cr13Si鋼的高溫回火硬度高于4Cr13鋼， 4Cr13Si鋼在650℃的硬度仍可達到35HRC左右， 鋼中添加的矽可提高4Cr13鋼的回火抗性。

（2） 試驗鋼在不同回火溫度下的沖擊不随溫度的提高呈線性增加。由于鋼中添加大量的矽元素推遲了馬氏體的分解， 4Cr13Si 鋼的沖擊韌性不及 4Cr13鋼， 尤其在530℃以後的高溫回火時二者沖擊值差别明顯。

（3） 試驗鋼的拉伸和屈服強度随回火溫度的提高先升高後降低。含矽的4Cr13Si鋼在試驗溫度範圍内拉伸強度和屈服強度均高于4Cr13鋼。

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