高性能预硬型塑料模具钢的计算机合金设计

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1、摘要预硬型模具钢是制造高品质塑料模具的首选钢种，随着我国模具工业的迅速发展，该钢种具有良好的应用前景。但是，由于国产钢在性能上的欠缺，进口钢占据了大部分市场份额。为了改变这一局面，本论文采用了“加快材料熟化的方法”，借助国际通用的热力学和动力学计算软件Thermo．Calc&DICTRA对预硬型塑料模具钢的成分和工艺进行优化设计，并依托工业应用的背景，在基本不增加成本的前提下，有效提高了国产钢的性能，使之达到了世界优质同类钢种ASSAB718的性能水平，并且在此基础上研制了性能良好、具有一定应用前景的新型易切削钢种。本文通过对比性测试与研究，发现进

2、口与国产大截面预硬型塑料模具钢的常规力学性能接近，而结合金相观察和SEM&EDX分析可以看出国产钢中氧化物夹杂含量较高，以氧化铝为主：而ASSAB718钢中以塑性相硫化物夹杂为主，多以硫化锰包裹氧化铝的形式存在；通过低速车削试验和抛光试验，综合检测了刀具后刀面磨损量、切削力及加工试样表面粗糙度等性能指标，结果发现，国产钢与ASSAB718钢性能上的主要差距在于切削加工性能。由于钢中非金属夹杂物是影响切削加工性能的主要因素，硫化物在切削时的变形和减摩作用可以提高切削性能，而高硬度、高熔点的氧化铝夹杂对硬质合金刀具的磨损作用则大大降低了国产钢的切削性能

3、，所以消除或改性钢中氧化物夹杂应成为提高其性能的主要手段。Thermo．Calc&DICTRA软件系统中基于Oaye模型建立的SLAG数据库以及基于CALPHAD方法建立的热力学计算系统是计算炼钢过程中多元多相体系相平衡关系的有力工具，根据计算结果可以对炼钢过程中非金属夹杂物的形成过程及其影响因素进行预测。本文通过对国产钢和AsSAB718钢中夹杂物析出类型的预测，指出不合理的成分配比是造成国产钢中氧化铝夹杂物较多的原因，并据此对国产钢的成分进行了优化设计，指出其主要成分碳、锰、硅、铬、镍和钼的重量百分数应分别在O．36～0．42wt％，l。35—

4、1．45wt％，0．2—0．3wt％，1．8～2．0wt％，O．8～1．0wt％和0．2~o．4wt％范围之间。对调整成分后的国产钢的测试证明，氧化铝夹杂含量显著下降主要代之以硫化锰包裹细微氧化铝质点的复合夹杂物，其切削加工性能得到了明显改善。鉴于钢中显微组织变化与热处理工艺制定的密切关系，本文运用软件计算并结合TEM分析确定了预硬型塑料模具钢中的主要碳化物类型是M7C3型碳化物，而后运用DICTRA程序的“Cell”模型模拟了温度及合金成分对钢中碳化物溶解过程的影响，指出对M7C3型碳化物而言，通常随着加热温度的升高和保温时间的延长，其溶解量增大

5、，在1183K(910℃)时M7C3型碳化物的溶解量随时间的变化接近在1203K(930℃)时的情况；而合金元素Cr、Mn、Mo都会对M7C3型碳化物的溶解产生一定影响。根据模拟计算的结果，本文采用锻前高温均匀化处理，即12004-10。C保温10小时，基本消除了大模块组织中存在的偏析现象，从而降低了模块加工表面的粗糙度；此外，采用910。C正火代替淬火避免了厚度较小的模块发生开裂，并且基本不影响材料的组织和性能。经过成分调整和锻前高温均匀化处理的国产大截面预硬型塑料模具钢，其基本使用性能，包括切削加工性能、磨撇性能以及抗腐蚀性能都达到了ASSAB

6、718钢的水平，并且可以进行批量生产，效果良好。在钢中添加硫、钙等易切削元素有勋于迸一步改善其切削加工性能，但必须控制其含量才能避免有害非金属夹杂物，如钙铝酸盐、硫化钙的形成。运用Thermo．Calc软件计算了不同含量的s、ca等元素对钢中非金属夹杂物析出的影响，发现只有在合理的成分范围内钢中才能形成理想的易切削相，如玻璃质氧化物夹杂2caO·A1203·Si02(即C2AS)。在试验室条件下试制了新成分的易切削预硬型塑料模具钢，结合SEM&EDX分析，发现在预测的钙、硫范围内，即加入20～40ppm的钙和0．02wt％的硫，可以获得所需要的易切

7、削相C2AS；但如果将硫含量提高到O．04wt％，则不易获得C2AS。与低速切削相比，在高速切削条件下，刀具的损坏严重，寿命缩短，但切削力变小，而且加工表面的质量也有所提高；塑性相硫化物的存在使钢在低速切削条件下性能良好，但在高速切削条件下，只有玻璃质氧化物C2AS可在刀具表面形成保护层，有效抑制刀具的磨损，提高切削加工性能；此外，适量添加钙和铋可以改变硫化物的形态、增加粘着强度，从而提高其易切削作用。易变形相硫化锰的存在造成了钢塑性指标及等向性的降低，而钙对硫化锰的变质作用可减轻这种不利影响，所以综合对力学性能与切削性能的评价，微量S—ca—Bi

8、的复合加入是H制备易切削预硬型塑料模具钢的可行方案。关键词：预硬型塑料模具钢，Thcrmo，Calc&DICTRA软件系统