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合金元素在模具钢材中的作用
盛成立 20081012202
　　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。模具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。S点及E点的左移，使合金钢的平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图来分析)。例如，含0.3%C的3CR2W8V热模具钢已为过共析钢，而碳含量不超过