合金元素在模具钢材中的作用

 众所周知，占钢总产量80％左右的碳素钢，是基本的工业用钢。它种类齐全，生产简单，价格低廉，通过不同的热处理后，可获得不同的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差，耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且，工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等，这类钢就统称为合金钢。钢材是合金钢中的一种。

　　㈠、碳素钢用途的局限性

　　⑴ 淬透性低

　　一般情况下，碳钢淬火要求水冷，它水淬的最大淬透直径为15～20MM，因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。

　　⑵ 强度和屈强比较低

　　强度低使工程结构和设备笨重。A3钢的σS≥240MPA，而低合金结构钢16MN的σS≥360MPA。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的σS／σB为0.43，而合金钢35CRNI3MO的σS／σB可达0.74。

　　⑶ 回火稳定性差

　　由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时，韧性又偏低；为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。

　　⑷ 不能满足某些特殊性能的要求

　　碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。

　　为了解决上述问题，在碳钢中特意加入合金元素，以弥补以上不足之处。

　　㈡、合金元素在模具钢材中的作用

　　合金元素在模具钢材中的作用非常复杂，到目前为止对它的认识还很不全面。

　　下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响规律。

　　⒈合金元素与铁和碳的作用

　　合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物（如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等）中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。

　　⑴ 溶入铁中

　　几乎所有合金元素（除PB外）都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对α？FE或γ？FE的作用，可将它们分为两大类。

　　①扩大γ相区元素亦称奥氏体稳定化元素，主要是MN、NI、CO、C、N、CU等。

　　它们使相图中N点下降，G点上升，从而扩大γ相的存在范围。其中NI、MN等元素加入到一定量后，可使G点降到室温以下，使α相完全消失，它们称为完全扩大γ区的元素。另外一些元素如C、N和CU等，虽扩大γ相区，但不能将其扩大到室温，所以它们称为部分扩大γ区的元素。

　　②缩小γ相区元素亦称F稳定化元素，主要有CR、MO、W、V、TI、AL、SI、B、NB、ZR等。它们使G点上升，N点下降（CR例外，CR含量小于7％时，G点下降；大于7％后G点迅速上升），从而缩小γ相存在范围，使F稳定区域扩大。其中CR、MO、W、V、TI、AL、SI等元素超过一定含量时，G点与N点重合，使γ相区被封闭，这时合金在固态范围内一直处于单相α相状态，它们称为完全封闭γ区的元素。另外一些元素，如B、NB、ZR等，虽然也使γ相区温度范围缩小，但不能使其封闭，称为部分缩小γ区的元素。

　　上述元素中，只有C、N、B与铁形成间隙固溶体，其它均与铁形成置换固溶体。

　　⑵ 形成碳化物

　　合金元素按其与钢中碳亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。

　　① 常用非碳化物形成元素有：NI、CO、CU、AL、SI、N、B等。它们不与碳形成化合物，除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于F和A中。

　　② 常用碳化物形成元素有：MN、CR、MO、W、V、TI、NB、ZR等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列）。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。MN与碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于F或A中。与碳的亲和力较强的CR、MO、W等，含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体；含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素V、TI、NB、ZR等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一部分强碳化物形成元素会溶于F或A中。

　　合金渗碳体是部分铁原子被碳化物形成元素置换后的渗碳体，如（FE，CR）3C、（FE，MN）3C等，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定些，硬度也略高些，这对提高钢的耐磨性更有利。

　　合金碳化物MN3C、CR7C3、CR23C6、FE3W3C等，比合金渗碳体的稳定性更高，而特殊碳化物MO2C、W2C、VC、TIC等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物，其熔点和硬度也愈高，加热时也愈难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。

　　⒉合金元素对铁碳相图的影响

　　合金元素对铁碳相图的影响，与对纯铁的影响类似，但更复杂一些、影响主要分两方面：

　　⑴对A和F存在范围的影响

　　①扩大γ相区元素均扩大铁碳相图中A存在的区域，其中完全扩大γ区的元素NI或MN的含量较多时，可使钢在室温下得到单相A组织，例如1CR18NI9高镍A不锈钢和ZGMN13高锰耐磨钢等。

　　②缩小γ相区元素均缩小铁碳相图中A存在的区域，其中完全封闭γ区的元素（例如CR、TI、SI等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相F组织，例如1CR17TI高铬F不锈钢等。

　　⑵对铁碳相图临界点（S点和E点）的影响

　　① 扩大γ相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。

　　② 缩小γ相区的元素则使其上升并都使共析反应在二个温度范围内进行。合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。