钢铁材料基本知识-各种元素的功用.doc

钢铁材料基本知识
1 基本理论
1.1 模具钢的分类
模具的用途很广，各种模具的工作条件差别很大，所以制造模具的材料范围很广，从一般的碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢直到满足特殊模具要求的奥氏体无磁模具钢、耐蚀模具钢、耐热模具钢、马氏体时效钢、高温合金、难熔合金、硬质合金及用粉末冶金工艺生产的高合金模具钢等。
常用模具钢一般按其用途和工作条件分为三大类，即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。
冷作模具钢：主要用于在冷状态（室温）条件下对工件进行压制成形的模具，如冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉伸模具、冷挤压模具、冷镦模具、压印模具、辊压模具等。冷作模具品种多，应用范围广，其产值占模具总产值的1/3左右，采用的钢号很多，从碳素工具钢，合金工具钢、高速工具钢、硬质合金直至粉末高速钢和粉末高合金模具钢等，大部分属于高碳过共析钢或莱氏体钢。
热作模具钢：主要用于制造对高温状态下的金属进行热成形的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热剪切模具等。这类钢含碳量一般在0.3%～0.5%，添加提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素。对特殊要求的热作模具有时还采用高合金奥氏体耐热模具钢、高温合金和难熔合金制造。
塑料模具钢：近50年来，随着石油化工工业的发展，塑料工业迅速兴起，产量激增，如今，塑料已经和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料，是农业、工业、交通、运输业、能源、信息产业及宇宙空间和海洋开发等国民经济各种领域不可缺少的重要原材料。很多塑料制品是采用模压成形，所以模具的需求量迅速增加，不少工业发达国家塑料模具的产值已超过冷作模具的产值，在模具制造业中居首位。由于塑料的品种很多，性能各异，而且根据塑料制品的尺寸、形状复杂程度、 精度、表面粗糙度和生产批量等各方面的要求不同，对制造模具的材料也提出不同的性能要求，不少工业发达国家已经形成了范围很广的塑料模具钢系列，包括碳素塑料模具钢、预硬化塑料模具钢、易切削塑料模具钢、耐蚀型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、非调质型塑料模具钢、高耐磨塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和无磁塑料模具钢等。
1.2 模具材料的选用原则
模具的种类繁多，性能要求各异，模具材料的选择直接影响到模具产品的使用性能、寿命、制造周期和成本。模具材料的选用原则主要是如下二方面：即使用性能和工艺性能必须满足需求，具体要求见表2-1。
表2-1模具钢的性能要求
性 能
冷作模具钢
热作模具钢
塑料模具钢
使 用 性 能
硬 度
●
○
○
强度
●
●
●
韧度
○
●
○
耐磨性
●
●
●
红硬性
○
●
●
热疲劳
-
●
-
耐蚀性
-
○
●
抗粘着（咬合）性能
●
○
○
热导率
-
●
●
工 艺 性 能
可加工性（冷热加工性能）
●
●
●
淬透性
●
●
●
淬硬性
●
○
○
热处理变形
●
○
○
抗氧化脱碳敏感性
●
●
○
镜面加工性能
○
-
●
花纹图案蚀刻性能
-
-
●
焊接性能
-
-
○
电加工性能
○
○
○
注●表示主要要求，○表示次要要求，-表示可以不要求

2.2 合金元素的作用
碳的作用
碳对钢的强韧性和耐磨性有重要影响，对于热作模具钢，含碳量增加，强度、硬度、耐磨性增加；但塑性、韧性下降。对于冷作模具钢，含碳量增加，则抗弯强度及耐磨性增加；含碳量降低，韧性增加而抗弯强度及耐磨性降低，因此，抗冲击及高强韧冷作模具钢的含碳量是0.5%～0.7%，高耐磨性的模具钢，含碳量为1.2%～2.3%。碳可以提高钢的淬透性；但随含碳量的提高，钢的耐蚀性下降，焊接性能和冷成形性能变坏。
铬的作用
铬提高钢的耐蚀性能和抗氧化性能；增大淬透性，产生二次硬化效应，形成特殊的碳化物，提高耐磨性，特别是在改善钢的使用性能的同时，不损害其工艺性能；铬还提高钢的高温强度，因此，铬是冷作、热作、塑料模具钢的基本元素。
钼的作用
钼提高钢的二次硬化能力、高温强度和抗蠕变性能；提高抗过热敏感性、淬透性和强韧性，还可以抑制钢的回火脆性；在耐蚀塑料模具钢中提高耐蚀性能，特别是在氧化物介质中的耐蚀性能；但增加脱碳的倾向性。
钨的作用
钨的作用与钼相似，在工模具钢中形成坚硬和稳定的碳化物，在淬、回火钢中提高红硬性，钨增强钢的耐磨性及抗过热敏感性的作用优于钼；但含钨量增多使钢的韧性明显下降，目前趋向于以钼代钨以改善韧性。
钒的作用
钒强烈细化晶粒、强烈提高耐磨性和二次硬化能力，提高抗过热敏感性；但含量过多会明显恶化钢的可锻性能和磨削性能，故钢中的钒含量一般在0.2%～2%左右。
镍的作用
镍是唯一的即可以提高钢的强度、淬透性，又可以提高韧性的元素，但对耐磨性、二次硬化性能无贡献；而且明显恶化工艺性能（可锻性、软化性和切削性）。因此，在冷作模具钢中很少应用，但在大截面的热作模具钢和塑料模具钢中，加入少量的镍以提高其淬透性和韧性。
锰的作用
锰强烈提高淬透性，降低Ms点，使淬火后钢中残余奥氏体量减少，从而减少淬火后的尺寸变形。因此，锰是空淬微变形冷作模具钢的基本成分，也是高碳奥氏体无磁模具钢的主要合金元素。由于锰加剧回火脆性及过热敏感性，宜与Cr、Mo、V复合添加；因此，在抗冲击及高强韧性的冷作模具钢中用量受到限制（Mn≤0.6%～0.8%）。
硅的作用
硅能强烈提高钢的变形抗力及冲击疲劳抗力，提高回火稳定性和抗氧化性能，但也在一定程度上降低钢的塑性、韧性和增大脱碳倾向。在传统的抗冲击钢中，含硅量为0.5%～2.0%，近年来趋于降至0.6%～1.2%，一些高合金强韧钢中含硅量为0.8%～1.5%。硅含量较高时，易导致加热保温过程中钢中碳的石墨化。
钴的作用
钴可以提高高速钢二次硬化效果，即提高红硬性；显著的改善含镍的马氏体时效钢的强韧性，使之具有很好的综合力学性能；钴提高耐热钢和热作模具钢的耐热性和热强性。
铝的作用
铝极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂，铝与氧或氮结合形成细小的颗粒可以抑制奥氏体晶粒长大；铝作为合金元素加入钢中可以提高钢的抗氧化性能，提高渗氮钢的渗氮性能，含铝钢渗氮后在钢件表面牢固地形成一层薄而硬的弥散分布的氧化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。铝还可以提高不锈耐酸钢在氧化性酸中的耐蚀性能。
硫的作用
硫是钢中有害元素，硫与铁化合生成FeS，与锰化合生成MnS，会增加钢的热脆性，降低钢的强度和韧性。但是硫在钢中的存在，改善了钢的切削性能，为此，发展了含硫的易切削钢，由于提高硫和锰的含量，形成较多的硫化锰（MnS），改善钢的切削加工性能。
磷的作用
磷在钢中也是有害元素之一，增加钢的脆性，尤其是低温脆性（冷脆），也提高了钢的回火脆性的敏感性，当磷和锰共存时，直到高温回火范围都产生回火脆性。但磷能提高钢的强度和耐蚀性能，所以发展了含磷的低合金钢和含磷的钢轨钢，以提高它们的耐蚀性能、耐磨性能和抗压性能。