热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用,从而使模具的工作条件复杂化,对模具材料的特性要求也更加严格。优质的热作模具钢应具有高的热强度、良好的耐回火性、高的韧性和塑性、小的膨胀系数和好的导热性等优异的力学性能和使用性能。由于热作模具钢的高性能要求,钢中所含化学成分及含量对钢的性能具有十分重要的意义。对于目前应用广泛的H13热作模具钢,围绕它进行的改进主要以低硅高钼作为研究方向。一般认为,热作模具钢中的硅量是以0.40%～0.75%为宜,若硅加入量过多,会使碳化物聚集的过时效速度增大,以至于难以控制。然而,有文献指出,较高的硅有助于增加钢淬火过程中残余奥氏体的量,使钢具有很好的韧性。而钼是使钢具有二次硬化的主要合金元素,它在回火马氏体中的形成是以原位析出机制,不会发生弥散析出,一般认为钼元素在3%可达到最佳二次硬化效果,不低于1%能达到一定二次硬化效果。随着现代工业的飞速发展,钢铁行业的竞争日益激烈,节约成本,减低合金元素用量成为模具钢发展的方向。
经过合理的冶炼和热处理工艺后,力学性能及热疲劳试验结果表明,SDH3钢具有良好的综合性能。由微观组织分析可见,SDH3钢具有更加细小的马氏体板条,且板条间有少量薄膜状残余奥氏体存在,它包裹条状马氏体板条,可有效阻碍裂纹扩展,有利于提高其抗热疲劳性能。在钢的淬火过程中,硅含量的增加有助于增加钢淬火过程中残余奥氏体的量,使得SDH3钢相对于H13钢具有更加优异的韧性。其原因主要是由于组织中薄膜状残余奥氏体片条阻碍了淬火马氏体板条的生长,在二次回火过程中,部分残余奥氏体将向更加稳定的马氏体及碳化物转变,进而细化了马氏体组织。同时,回火时二次硬化过程中碳化物MC的析出,以及部分薄膜状残余奥氏体的残存,使得该热作模具钢在保证强度的基础上,仍然可以具有优异的力学性能。
热疲劳过程是一个回火累积过程,硅的固溶使铁素体基体的点阵常数变小,其原子半径0.118nm,Fe为0.126nm,由此可见,使点阵常数缩小的固溶合金元素具有较有效的强化作用。同时硅也提高钢的回火抗力。硅降低碳在铁素体中的扩散速度,使回火时析出的碳化物不易聚集,阻碍马氏体的回复再结晶,增加回火稳定性。另外,硅虽然不推迟ε碳化物的生成,但它可固溶于ε碳化物,并提高其稳定性,可使回火马氏体的ε碳化物与基体保持共格和均匀分布,使回火马氏体保持有良好的强韧性配合。
SDH3钢与H13比较,降低了铬和钼的含量,提高了硅的含量。降低铬是因为,淬火后回火时,铬和碳可形成高铬的碳化物,使得碳与钒结合的几率变小,从而降低了碳化钒的含量。而这对钢的热稳定性是不利的,因为铬的碳化物是不稳定的,在高温下容易溶解或聚集长大,使钢的硬度下降或变脆;而具有面心立方点阵的VC碳化物,稳定性高,它在500～700℃回火过程中析出,不易聚集长大,能作为钢中强化相。较低的钼在一定程度上可以保证二次硬化的效果。硅有助于提高钢的淬透性和回火稳定性,同时一定量的硅还能保证基体中残余奥氏体的存在,提高钢的韧性。因此,经均匀化设计得到的SDH3钢,在保证常规力学性能的基础上,价格降低,同时又具有较高的热稳定性和热疲劳性能,是一种新型高热强性热作模具钢。
(来源：钢铁研究学报）
