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4cr5mosiv1化學(xué)成分％:

碳 c :0.32~0.45

硅 si:0.80~1.20

錳 mn:0.20~0.50

硫 s :≤0.030

磷 p :≤0.030

鉻 cr:4.75~5.50

鎳 ni:允許殘余含量≤0.25

銅 cu:允許殘余含量≤0.30

釩 v :0.80~1.20

鉬 mo:1.10~1.75

●物理性能:

其密度為7.8t/m3;彈性模量e為210000mpa。

4cr5mosiv1鋼的臨界溫度

臨界點(diǎn) 溫度(近似值)/℃

ac1 860

ac3 915

ar1 775

ar3 815

ms 340

mf 215

4cr5mosiv1鋼的線(膨)脹系數(shù)

溫度/℃ 線(膨)脹系數(shù)/℃-1

20~100 9.1×10-6

20~200 10.3×10-6

20~300 11.5×10-6

20~400 12.2×10-6

20~500 12.8×10-6

20~600 13.2×10-6

20~700 13.5×10-6

4cr5mosiv1鋼的熱導(dǎo)率

溫度/℃ 熱導(dǎo)率λ/w·(m·k)-1

25 32.2

650 28.8

●力學(xué)性能:

硬度:退火≤235hb，壓痕直徑≥3.95mm

熱處理:(交貨狀態(tài):布氏硬度hbw10/3000(小于等于235))，淬火:790度+-15度預(yù)熱，1000度(鹽  浴)或1010度(爐控氣氛)+-6度加熱，保溫5~15min空冷，550度+-6度回火;退火、熱加工;

交貨狀態(tài):鋼材以退火狀態(tài)交貨。

4cr5mosiv1鋼是c-cr-mo-si-v型鋼，在世界上的應(yīng)用極其普遍，同時(shí)各國(guó)許多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究,并在探究化學(xué)成分的改進(jìn)。鋼的應(yīng)用廣泛和具有優(yōu)良的特性，主要由鋼的化學(xué)成分決定的。當(dāng)然鋼中雜質(zhì)元素  必須降低，有資料表明,當(dāng)rm在1550mpa時(shí),材料含硫量由0.005％降到0.003％,會(huì)使沖擊韌度提高約13j。nadca 207-2003標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定:優(yōu)級(jí)(premium)h13鋼含硫量小于0.005％,而超級(jí)(superior)的應(yīng)小于0.003％s和0.015％p。下面對(duì)4cr5mosiv1鋼的成分加以分析。 碳:美國(guó)aisi h13，uns t20813，astm(最新版)的h13和fed qq-t-570的4cr5mosiv1鋼的含碳量都規(guī)定為(0.32~0.45)％，是所有4cr5mosiv1鋼中含碳量范圍最寬的。德國(guó)x40crmov5-1和1.2344的含碳量為(0.37~0.43)％，含碳量范圍較窄，德國(guó)din17350中還有x38crmov5-1的含碳量為(0.36~0.42)％。日本skd 61的含碳量為(0.32~0.42)％。我國(guó)gb/t 1299和yb/t 094中4cr5mosiv1和sm 4cr5mosiv1的含碳量為(0.32~0.42)％和(0.32~0.45)％，分別與skd61和aisi h13相同。特別要指出的是:北美壓鑄協(xié)會(huì)nadca 207-90、207-97和207-2003標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)h13鋼的含碳量都規(guī)定為(0.37~0.42)％。

鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度，按鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關(guān)系曲線可以知道,h13鋼的淬火硬度在55hrc左右。對(duì)工具鋼而言，鋼中的碳一部分進(jìn)入鋼的基體中引起固溶強(qiáng)化。另外一部分碳將和合金元素  中的碳化物形成元素  結(jié)合成合金碳化物。對(duì)熱作模具鋼,這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過(guò)程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來(lái)決定熱作模具鋼的性能。由此可見(jiàn)，鋼中的含c量不能太低。

含5％cr的4cr5mosiv1鋼應(yīng)具有高的韌度，故其含c量應(yīng)保持在形成少量合金c化物的水平上。woodyatt 和krauss指出在870℃的fe-cr-c三元相圖上,h13鋼的位置在奧氏體a和(a+m3c+m7c3)三相區(qū)的交界位置處較好。相應(yīng)的含c量約0.4％。圖上還標(biāo)出增加c或cr量使m7c3量增多,具有更高耐磨性能的a2和d2鋼以作比較。另外重要的是,保持相對(duì)較低的含c量是使鋼的ms點(diǎn)取于相對(duì)較高的溫度水平(h13鋼的ms一般資料介紹為340℃左右)，使該鋼在淬冷至室溫時(shí)獲得以馬氏體為主加少量殘余a和殘留均勻分布的合金c化物組織，并經(jīng)回火后獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過(guò)多殘余奧氏體在工作溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變影響工件的工作性能或變形。這些少量殘余奧氏體在淬火以后的兩次或三次回火過(guò)程中應(yīng)予以轉(zhuǎn)變完全。這兒順便指出，h13鋼淬火后得到的馬氏體組織為板條m+少量片狀m+少量殘余a。經(jīng)回火后在板條狀m上析出的很細(xì)的合金碳化物，國(guó)內(nèi)學(xué)者也作了一定工作。

眾所周知，鋼中增加碳含量將提高鋼的強(qiáng)度，對(duì)熱作模具鋼而言，會(huì)使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高，但會(huì)導(dǎo)致其韌度的降低。學(xué)者在工具鋼產(chǎn)品手冊(cè)文獻(xiàn)中將各類(lèi)h型鋼的性能比較很明顯證明了這個(gè)觀點(diǎn)。通常認(rèn)為導(dǎo)致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4％。為此要求人們?cè)阡摵辖鸹�設(shè)計(jì)時(shí)遵循下述原則:在保持強(qiáng)度前提下要盡可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1550mpa以上時(shí),含c量在0.3％-0.4％為宜。h13鋼的強(qiáng)度rm，有文獻(xiàn)介紹為1503.1mpa(46hrc時(shí))和1937.5mpa(51hrc時(shí))。

查閱ford和gm公司資料推薦的tq-1、dievar和adc3等鋼中的含c量都為0.39％和0.38％等，相應(yīng)的韌度指標(biāo)等列于表1，其理由可由此管窺所及。

對(duì)要求更高強(qiáng)度的熱作模具鋼，采用的方法是在h13鋼成分的基礎(chǔ)上提高mo含量或提高含碳量，這將在后面還會(huì)論及，當(dāng)然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。

2.2 鉻: 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價(jià)廉的合金元素  。在美國(guó)h型熱作模具鋼中含cr量在2％~12％范圍。在我國(guó)合金工具鋼(gb/t1299)的37個(gè)鋼號(hào)中,除8crsi和9mn2v外都含有cr。鉻對(duì)鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時(shí)它溶入基體中會(huì)顯著改善鋼的耐蝕性能，在h13鋼中含cr和si會(huì)使氧化膜致密來(lái)提高鋼的抗氧化性。再則以cr對(duì)0.3c-1mn鋼回火性能的作用來(lái)分析，加入<6％ cr對(duì)提高鋼回火抗力是有利的，但未能構(gòu)成二次硬化;當(dāng)含cr>6％的鋼淬火后在550℃回火會(huì)出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)。人們對(duì)熱作鋼模具鋼一般選5％鉻的加入量。

工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強(qiáng)化作用，另一部分與碳結(jié)合,按含鉻量高低以(fecr)3c、(fecr)7c3和m23c6形式存在，從而來(lái)影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素  的交互作用影響，如當(dāng)鋼中含鉻、鉬和釩時(shí)，cr>3％^[14]時(shí)，cr能阻止v4c3的生成和推遲mo2c的共格析出，v4c3和mo2c是提高鋼材的高溫強(qiáng)度和抗回火性的強(qiáng)化相^[14]，這種交互作用提高該鋼耐熱變形性能。

鉻溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性。cr﹑mn﹑mo﹑si﹑ni都與cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素  。人們習(xí)慣用淬透性因子加以表征,一般國(guó)內(nèi)現(xiàn)有資料[15]還只應(yīng)用grossmann等的資料,后來(lái)moser和legat[16,22]的更進(jìn)一步工作提出由含c量和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑dic和合金元素  含量確定的淬透性因子(示于圖3中)來(lái)計(jì)算合金鋼的理想臨界直徑di,也可從下式作近似計(jì)算:

di=dic×2.21mn×1.40si×2.13cr×3.275mo×1.47ni (1)

(1)式中各合金元素  以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。由該式，人們對(duì)cr﹑mn﹑mo﹑si和ni元素  影響鋼淬透性有相當(dāng)明確的半定量了解。

cr對(duì)鋼共析點(diǎn)的影響，它和mn大致相似，在約5％的含鉻量時(shí)，共析點(diǎn)的含c量降到0.5％左右。另外si﹑w﹑mo﹑v﹑ti的加入更顯著降低共析點(diǎn)含c量。為此可以知道:熱作模具鋼和高速鋼一樣屬于過(guò)共析鋼。共析含c量的降低，將增加奧氏體化后組織中和最后組織中的合金碳化物含量。

鋼中合金c化物的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)，實(shí)際上，合金c化物的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與相應(yīng)c化物形成元素  的d電子殼層和s電子殼層的電子欠缺程度相關(guān)[17]。隨著電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素  的原子半徑比rc/rm增加，合金c化物由間隙相向間隙化合物變化，c化物的穩(wěn)定性減弱，其相應(yīng)熔化溫度和在a中溶解溫度降低，其生成自由能的絕對(duì)值減小，相應(yīng)的硬度值下降。具有面心立方點(diǎn)陣的vc碳化物，穩(wěn)定性高，約在900~950℃溫度開(kāi)始溶解，在1100℃以上開(kāi)始大量溶解(溶解終結(jié)溫度為1413℃)[17];它在500~700℃回火過(guò)程中析出，不易聚集長(zhǎng)大，能作為鋼中強(qiáng)化相。中等碳化物形成元素  w 、mo形成的m2c和mc 碳化物具有密排和簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣，它們的穩(wěn)定性較差些，亦具較高的硬度、熔點(diǎn)和溶解溫度，仍可作為在500~650℃范圍使用鋼的強(qiáng)化相。m23c6(如cr23c6等)具有復(fù)雜立方點(diǎn)陣，穩(wěn)定性更差，結(jié)合強(qiáng)度較弱，熔點(diǎn)和溶解溫度較低(在1090℃溶入a中)，只有在少數(shù)耐熱鋼中經(jīng)綜合合金化后才有較高穩(wěn)定性(如(crfemow)23c6,可作為強(qiáng)化相。具有復(fù)雜六方結(jié)構(gòu)的m7c3(如cr7c3、 fe4cr3c3或fe2cr5c3)的穩(wěn)定性更差，它和fe3c類(lèi)碳化物一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長(zhǎng)大速度，一般不能作為高溫強(qiáng)化相[17]。

我們?nèi)詮膄e-cr-c三元相圖可以簡(jiǎn)便了解h13鋼中的合金碳化物相。按fe-cr-c系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面的相圖,對(duì)含0.4％c鋼中,隨cr量增加會(huì)出現(xiàn)(fecr)3c(m3c)和(crfe)7c3(m7c3)型合金碳化物。注意在870℃圖上,只有含cr量大于11％才會(huì)出現(xiàn)m23c6)。另外根據(jù)fe-cr-c三元系在5％cr時(shí)的垂直截面,對(duì)含0.40％c的鋼在退火狀態(tài)下為α相(約固溶1％cr)和(crfe)7c3合金c化物。當(dāng)加熱至791℃以上形成奧氏體a和進(jìn)入(α+a+m7c3)三相區(qū),在795℃左右進(jìn)入(a+m7c3)兩相區(qū),約在970℃時(shí),(crfe)7c3消失,進(jìn)入單相a區(qū)。當(dāng)基體含c量<0.33％時(shí),在793℃左右才存在(m7c3+m23c6和a)的三相區(qū),在796℃進(jìn)入(a+m7c3)區(qū)(0.30％c時(shí))，以后一直保持到液相。鋼中殘留的m7c3有阻止a晶粒長(zhǎng)大的作用。nilson提出，對(duì)1.5％c-13％cr的成分合金，欠穩(wěn)定(crfe)23c6不形成[20]。當(dāng)然,單以fe-cr-c三元系分析會(huì)有一些偏差,要考慮加入合金元素  的影響。

4cr5mosiv1回火

表 3-1-1 4cr5mosiv1鋼推薦的回火規(guī)范

①通常用兩次回火、第二次回火溫度應(yīng)比第一次低20℃。

表3-1-2 4cr5mosiv1鋼推薦的表面處理規(guī)范