一种优良的超塑性模具钢——高碳铬硅钢

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.01.023 北京钢铁学院学报 1986?】 Journal of Bcijing University No.4 第4期 of Iron and Steel Technology Dec,1986 一种优良的超塑性模具钢一 高碳铬硅钢 王乃一 钟鸿儒 (企湘教研空) (压力加工教研) 摘 要 适当降低超高碳钢的含碳量，并加人一定量的铬和能，可以得到一种具有优良的 超性能和其它工艺性能的高碳铬硅钢， 同其它超塑性钢相比，这种钢的超塑性形变速率很高(>.49mn~1),这将大大 提高超塑性成形的速度；该钢超塑性成形的温度区间达150K以上，这特给超塑性成形 的工业化应用带来极大便利：此外，这种钢的超塑性形变抗力低：超塑性组织的制备 十分筒便；该钢的淬透性和淬硬性郴很好，宝温力学性能优于9CS;等模其钢.因 此，这种钢可作为超塑成形的模具钢使用. 关键词： 高碳铬硅钢.超塑性、延仲率.应变速节，超塑成形 An Excellent Superplastic Die Steel --High Carbon Steel Containing Cr and Si Wang Neiyi,Zhong Hongru Abstract High carbon steel containing Cr and Si is designed by lowering carbon co- ntent level in ultrahigh carbon steel and adding Cr and Si to it,This steel has of excellent superplasticty and other properties. Compared with other superplastic steels,this steel can keep the superp- tasticity at much higher strain rate(>0.49/min)and can be superplasticity formed more quickly.Because of its wide plastic range of temperature(>150K), lhis steel can be used to form parts in industry conveniently.Its forming stre- ss is low and the superplastic fine grain is easy to be produced. Otherwise,this steel is of good hardenability and its mechanical proper- ties at ambient temperature is better than some die steels (eg.9CrSi steel ) 1986-02-24收到 18

匕 京 年 第 期 钢 铁 学 院 学 报 。 。 一种优 良的超塑性模具钢 一一高碳铬硅钢 王 乃一 金相 教研室 钟鸿儒 〔压 力加工教研室 摘 要 适 当降低超高碳钢的含碳量 ， 并加入一定量 的铬和 硅 ， 可 以 得到 一种具有优 良的 超 塑性能 和其它 工艺性能 的高碳铬硅钢 同其它超塑性钢相 比 ，这种钢 的超塑性形变速率很高 。 ，这将 大 大 提高超塑性成形 的速度 该钢超塑性成形的温度区 间达 以上 ， 这翁给超塑性成形 的 工业化应用带来极大便利 此外 ， 这种钢的超塑性形变抗力低 超塑性组织 的制各 一 分简便 该钢的淬透性和淬硬性都很好 ， 室温力学性能 于 七 等模 具 钢 因 此 ， 这种钢可作为超塑成形的模具钢使用 关键词 高碳铬硅钢 超塑性 延伸率 应变速率 超塑戍形 一 ， ， 义 ‘ ， ， 。 ， ， ， ‘ ， 一 一 文至一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．04．023

Key words high carbon steel cantaining Cr and Si,superplasticity,strain rate,superplastic forming,die steel 引 言 金属和合金采用超塑性成形可以简化生产工艺，节约能源材料，改进产品质量，因此 人们对超塑成形的研究日益重视，各种新型超塑材料不断山现，例如Zn-5A1和Zn-22A1已作 为商品材使用，各种钛基、铝基、镍基、铜基合金的研究不断报导并已用于各种仪器、仪表 零件、工艺美术产品、飞机部件等各种产品的成形。同有色合金相比，作为结构材料主体的 钢铁材料的超塑性的研究则较少，且很多研究工作仍集中于现有钢种超塑性能的开发和利用 上，到目前为止，国内还未见关于研制新的超塑性钢铁材料的报导。虽然有些现有钢种经 处理后可获得较好的超塑性能，但要使钢的超塑性有较大的改善，使之更好地符合超塑成形 的特点，必须研制新的超塑性解。 高碳钢被认为是极有希望获得超塑性的钢种，高碳钢在室温下具有高硬度、高耐磨性， 通常被作为工、模具材料使用。众所周知，模具形状复杂，加工困难，但它是应用超塑成形 十分有利的领域。本文报导一种经过合金化后的高碳钢，这种钢除了具有优良的超塑性外， 还具有优于通常模具钢的室温力学性能。 1合金的设计 作为一种超塑性材料，必须具备以下各项条件：(1)具有良好的超塑性拉伸延伸率和 应变速率敏感性指数，(2)有较宽的超塑性形变温度区间，(3)具有较快的超塑性应变 速率，(4)有较低的超塑成形应力；(5)能够便利地获得超塑性细晶组织；(6)具有 较好的室温使用性能和其它工艺性能。 合金设计必须综合考虑上述各点。 一般说来，合金的超塑形变过程主要是品界滑动和品粒旋转以及与其相协调的扩散过 程(2)。因此，使晶粒保持细小和有利于基体原子自扩散的因素都应有利于合金的超塑性能。 超塑性材料通常都是两相或多相合金，在高温下，合金的晶粒尺寸D同第二相尺寸d和 第二相体积分数f之间存在下列关系(3)： Docd/f 第二相的体积分数愈大以及第二相的尺寸愈小对合金细品粒的保持愈有利。 在钢中，最常见的第二相为碳化物相，对于高碳钢来说，碳化物的数量、尺寸以及高温 下尺寸的稳定性对钢超塑性的获得十分重要。 在有色合金中，许多共析和共品合金具有较好的超塑性能，但共析成分的钢中碳化物数 量较少，往往不足以阻止形变时的品粒长大，因此超塑拉伸延伸率不高。在超高碳钢中，碳 化物的体积分数大，常可获得较好的超塑性延伸率(4)。但是超高碳钢中含碳过高导致在铸锭 中出现粗大的先共析渗碳体，在热处理或轧制过程中易萌发裂纹，给钢的超塑性组织的制备带 来困难，此外，经过超塑形变后的超高碳钢中的碳化物往往呈网状沿晶界分布(5)，这种组织对 于钢的室温性能不利。因此钢中的含碳量也不宜过高。 19

、 、 · 、 ， · ， ， ， ， 引 言 金属和 合金采用超 塑性 成形 可以简 化生 产工 艺 ， 节约能源 和材料 ， 改进 产品质量 ， 因此 人们 对超 塑成形的研究 日益重 视 ， 各 种新 型超 塑材料 不断 出现 ， 例如 一 和 一 已作 为商品材使用 ， 各种钦基 、 铝基 、 镍基 、 铜基合金 的研究 不断报 导并 已用 于各种仪器 、 仪表 零件 、 工艺美术 产 话 、 飞机部件 等各种 产品的成形〔 ’ 〕 。 同有色 合金 相 比 ， 作为结 构材料 主体的 钢铁材料的超塑性的研究则较少 ， 且 很 多研究工作仍集 中于现 有钢 种超 塑性 能的开发和利 用 仁 ， 到 目前为止 ， 国 内还未见关于研制 新的超 塑性钢铁材料 的报 导 。 虽然有些现 有 钢 种 经 处理后 可获得 较好的超 塑性能 ， 但要使钢的超 塑性有较大的改善 ， 使之更好地符 合超 塑成形 的特点 ， 必须研制新的超塑性钢 。 高碳钢被认 为 是极有希望 获得超 塑性 的钢 种 ， 高碳钢 在室 温下具有高硬度 、 、 高耐庶性 ， 通 常被 作为工 、 模具材料 使用 。 众所周 知 ， 模具形状 复杂 ， 加 工困难 ， 但它 是应用超 塑成形 十分有利的领 域 。 本文报 导一种经 过 合金化后的高碳钢 ， 这种钢 除 了具有优 良的超 塑性外 ， 还具有优 于通常 模具钢 的室温力 学性能 。 合金的设计 作为一种超塑性材料 ， 必须 具备以下各 项条件 具有 良好的超 塑性拉伸延伸率和 应变速 率敏感性指数。 ‘ 有较宽的超塑性形变温度 区 间， 具有较快的超 塑性 应变 速率 有较低的超 塑成形应力多 、 能够便利地获得超塑性细晶组织， 具有 较好 的室温位用性能和其它工艺性能 。 合金设计必瞬绘合考虑上述各点 。 一般说来 ， 合金的超塑形变过程主要是 晶界滑动 和 晶粒旋转以及与其相协调 的 扩 散 过 程 〔 〕 。 因此 ， 使晶粒保持细小和有利于基体原子 自扩散的 因素都应有利 于 合金的超塑性 能 。 超塑性材料通常都是两相或多相合金 ， 在高温 下 ， 合金的 晶粒尺寸 同第二 相 尺 寸 和 第二相体积分数 之 间存在下列关系〔 〕 第二 相的体积分数愈大以及第二 相 的尺 寸愈小对 合金细 晶粒的保 持愈有利 。 在钢 中 ， 最常 见的第二相为碳 化物相 ， 对于高碳钢来说 ， 碳化物 的数量 、 尺 寸 以及高温 下尺 寸的稳定性 对钢超塑性 的获得十分重 要 。 在有色 合金 中 ， 许 多共析和 共 晶合金具有 较好的超 塑性能 ， 但共析成分的钢 中碳化物 数 量较少 ， 往往 不足 以阻止形变时的 晶粒长大 ， 因此超 塑拉伸延 伸率 不 高 。 在超高碳 钢 中 ， 碳 化物的体积分数大 ， 常可获得较好的超 塑性延 伸率 。 但是超高碳钢 中含碳 过高导 致在铸锭 中出现粗大的先共析渗碳体 ， 在热处理或轧斜过程 中易萌发裂纹 ， 给钢 的超 塑性组织的制备带 来困难， 此外 ， 经过超塑形变后的超高碳钢 中的碳化物 往往 呈网状沿晶 界分布卿 ， 这种组织对 于钢的室 温性能 不利 。 因此钢 中的含碳量也不宜过高

铬加入树中有抗高温氧化的作用，铬是中强碳化物形成元素，在钢中有阻止碳化物长大 的效果(6)。有文献报导7)：在超高碳钢中加人1.5%铬，山于铬稳定了渗碳体的尺寸而大大 提高了钢的超塑性延伸率。 硅是非碳化物形成元素，碳化物的长大依赖于硅的扩散，而硅的扩散较碳慢得多，因而 硅有阻碍碳化物粗化的作用(6)此外，硅在钢中的溶解度较大，当较多的硅溶入钢中势必造成 基体较大的晶格畸变，而晶格畸变有利于基体原子的自扩散8)，对合金的超塑性产生有益作 用。 铬、硅在钢中还有提高钢的淬透性的效果，合金化后的钢淬火可采用油冷，故可减轻钢的 淬火变形和开裂倾向。 根据上述讨论，我们设计了一种钢，它的成分与9CSi相近，但Si含量有较多的增 加。 2超塑性组织制备和超塑性能 2.1材料和超塑性组织的制备 真空感应炉治炼的高碳铬硅钢5kg钢锭被加热到1373K,均温后锻成裁面为20×20mm的 棒，然后在973K进行恒温轧制，每道压下约2mm,在恒温轧制过程中，晶粒逐步细化，渗碳 体逐步细化、球化。图1和2分别为轧制到厚度为7mm和3.5mm时的金相组织照片。轧到 7mm厚时渗碳体已基本球化，晶粒尺寸也很细小，轧到3.5m厚时渗碳体完全球化，晶粒 尺寸小于1Lm。用这种方法制备超塑性组织是十分简便的，除轧制外不需其它任何处理， 所得到的结果是相当令人满意的。 图1恒温轧制组织（轧到7mm厚） 图2恒温轧制组织（轧到3.：mm厚） Fig,1 Microstructure of high Fig.2 Microstructure of high carbon steel containing Cr Si carbon steel containing Cr Si after isothermal rolling after isothermal rolling 2.2超塑性拉伸实验 将轧制到3.5mm厚的板加工成第二届全国超塑性会议所推荐尺寸的拉伸试样，试样厚度 为3mm,标距长20mm。试样的拉伸在自制拉伸试验机上进行，测力采用拉压传感器、应 变仪和X-Y记录仪配套使用，试样加热炉采用三段式自动控温，恒温段温差<±5K。 以初始应变速率0.03minˉ1、温度923K、973K、1023K、1073K进行恒速拉伸，得到的延 伸率随形变温度的变化见图3。在973K延伸率最大，达531%，在所试验的温度区间，延伸 20

铬加 入钢 ， ，有杭 高温氧化的 作 用 ， 铬 是 中强碳 化物形 成元素 ， 在钢 中有阻 碳 化物长 大 的效果〔 “ 。 有文 献报 导巾 在超 高碳钢 中加 人 。 铬 ， 由于铬稳定 了渗碳 体 的尺 寸而 大大 提 高 了钢 的超 塑性延 伸率 。 硅 是非碳 化物形成元素 ， 碳 化物的长大依赖 于硅 的扩 散 ， 而硅 的扩 散较碳 慢得 多 ， 因而 硅有阻碍碳 化物粗化的 作 用〔 “ 〕 。 此外 ， 硅在钢 中的溶解度较大 ， 当较多的硅溶 人钢 中势必造成 墓体 较大的 晶格畸 变 ， 而 品格畸变有利 于基体原子 的 自扩 散〔 “ 〕 ， 对 合金 的超 塑性 产生有益 作 用 。 铬 、 硅 在钢 中还 有提 高钢 的淬透性 的效果 ， 合金 化后的钢淬火 可采用 油冷 ， 故可减轻钢的 淬 火变形 和开 裂倾 向 。 根据上述 讨论 ， 我们设计 了一种钢 ， 它 的 成分 与 相近 ， 但 含 量 有 较 多 的 增 力 。 超塑性组织制备和超塑性能 材料和超 塑性组织 的制备 真空感应炉冶炼的高碳铬硅钢 钢锭被加热到 ， 均温后锻 成截面 为 的 棒 ， 然后在 进行 恒温轧制 ， 每道压下约 ， 在恒温轧制过程 中 ， 晶粒 逐步细 化 ， 渗碳 体逐步细 化 、 球 化 。 图 和 分别为轧制 到厚度为 和 时的金 相组织 照 片 。 轧到 厚时渗碳体 已基本球 化 ， 晶粒尺寸也很细小 轧 到 厚时 渗碳 体完全球 化 ， 晶粒 尺 寸小 于 卜 。 用这种方法制 备超 塑性组织 是 十分 简便 的 ， 除轧制外 不需 其它任何处 理 ， 所得到 的结果 是相 当令人满意 的 。 图 恒温轧制组织 车到 厚 图 恒温轧制组织 轧到 乙 厚 超 塑性拉伸实验 将轧制 到 厚 的板加工 成第二届 全 国超塑性会议 所 推荐尺寸 的拉伸试样 ， 试 样厚度 为 ， 标距长 。 试样的拉伸在 自制 拉伸试验机上进行 ， 测力采用 拉压传感 器 、 应 变 仪和 一 记录仪配套使用 ， 试样加热 炉采 用三段式 自动 控温 ， 恒温段温差 士 。 以初 始 应变速率 。 一 ‘ 、 温度 、 、 、 进行 恒速拉伸 ， 得到的延 伸率随形变温度 的变 化见 图 。 在 延 伸率最大 ， 达 ， 在所试 验的温度 区间 ， 延伸

率都已超过了300%。 ·一般超型性钢的超塑形变温度区间只有2050K,而高碳铬硅钢超塑形变温度区间达 150K以上，宽了几倍。这对于钢的超塑成形十分有益，温度区间宽意味着成形时所需的冲 头或模具材料和保护涂料或润滑剂的选择范围更广，减少了工业化生产中温度严格控制的困 难，为工业生产提供了方便。 在973K以初始应变速率0.03、0.08、0.20、0.49minˉ进行恒速拉伸，延伸率随初始 应变速率的变化见图4。拉伸后试样的实物照片见图5，试样以高速萃形变时仍有较高的延 伸率值，在初始应变速率为0.03、0.08、0.20miu~1时，延伸率都大于500%，在0.20min' 时达590%，是较高的。通常认为超塑性形变延伸率超过300%即可刑于加工成形，这种钢用 作成形应当是没有问题的。 700 800 600 500H 水人 4 o40 2400 300 800 200 873923973102310731123 200 0 00.20.3040.50.6 T.K tomin- 图3以初始应变速率0.03min~1拉仲时延仲率随形变 图4973K拉伸时试样的延伸率随初始应 温度的变化 变速率的变化 Fig.3 Variation of elongation to failure Fig.4 Variation of elongation with temperature at initial to failure with initial strain rate of 0.03/min strain rate at 973K 80 品 60 40 20 0.030.05,0.100,200.40 g。,mlna 图5973K拉伸后试样实物照片 图6流变应力随应变速率的变化关系 (a)未拉仲(b)g0=0.03min-1,(c)e0=0,08min-1 Fig.6 Variation of true stress with true strain rate (d)e0=0.20min-1(e)e0=0,49mih-1 Fig,5 Photo of tensile specimen after defonmation at 973K 21

率都已超过 了 。 ， 一般超塑性钢的超塑形变温度 区 问只有 一 ， 而 高碳 铬硅钢超 塑形变温 度 区 间 达 以上 ， 宽 了几倍 。 这对于钢 的超 塑成形 十分 有益 ， 温度区 间宽意味着成形时所需 的 冲 头或模具材料和保护涂料或润 滑剂 的选 择范 围更 广 ， 减少 了工业 化生 产中温度严格控制的困 难 ， 为工 业生 产提供 了方便 。 一 在 以初始应变速率 。 、 。 、 。 、 。 峨 一 ‘ 进行 恒速拉 伸 ， 延 伸率 随 初 始 应变速率的变化见 图 。 拉伸后试样的 实物 照 片见 图 ， 试样以 高速率 形变时仍有较高的延 伸率值 ， 在初始应变速率为 、 。 、 一 ‘ 时 ， 延 伸率都 大于 ， 在 一 ’ 时达 。 ， 是较高的 。 通常认 为超 塑性形变延 伸率超过 。 即可 用 于加工成形 ， 这种钢 用 作成形应 当是没有问题的 。 的 ﹁ 攀助 贫褚 · 叻 、 污口 ， 图 以 初始应变速率。 ‘ 一 拉伸时延伸率随形变 温度的变化 ‘ ， ‘ 抽一不了蔺‘ ‘ 。 坑 尸 图 盯 拉伸时试样的延伸串随初始应 变速率的变化 咖，的即 困饰山， 一 熟 一 孚 一 一 幼 一 召 去 。 ， ” · 图 拉伸后试样实物照片 未拉仲 。 一 ， 已 。 。 一 。 主 一 ￡ 峨 红一 丈 图 流 变应力随应变速率的变化关系

该钢在以初始：应变速落高达0.0min~进行拉伸时仍得到371%的延伸率，很多钢种的 超塑性拉伸初始应变速率都小于0.05min~1(4),该钢的拉伸速率提高了约一个数量级。超塑 性成形丁艺同其它成形工艺相比较，存在的最大问题就是形变速率太慢，因而生产格低，在 很多领域不能同别的成形工艺相竞争。提高超塑性形变速率是许多科学工作者所努力企求 的，通过对这种钢的研究可知，合金化是改进超塑性形变速率的有效途径。 图6为流变应力和应变速率的变化关系。从图中可以得到该钢在973K拉伸时的应变速 率敏感性指数m,m值随应变速率呈两阶段变化，在低速拉伸时(eo<0.08min1),m =0.66,在高速拉伸(eo>0.08min1)时，m=0.34,都在超塑性范围内。 该钢在973K以0,03min~1的初始应变速率进行拉伸时，最大工程应力仅为24.3MPa,这 个值同许多超塑性钢相比是低的1)，因此，该钢有可能采用小设备进行挤压成形，而且.会 比其它超塑性钢更易进行吹胀成形。 3热处理和室温力学性能 高碳钢通常在高硬度状态下使用，因而使用前都需经过热处理。热处理性能的好坏对于 钢使用性能有着直接的影响。钢的热处理性能通常指的是钢的淬透性、淬硬性：、谇火时变形 和开裂倾向的大小以及淬火后抗回火性能。 高碳铬硅钢中由予合金元素C和S的作用使钢具行较好的淬透性，可用油作为淬火介 质，因而减轻了淬火变形和开裂倾向。由于品粒细化和渗碳体细化，淬火后钢的硬度也很 高，在1133~1153K淬火时，硬度达到HR。66一67，而T10、T12、6CrSi、CrWMn.、 9M2V等常用作工、模具钢的淬火硬度通常都在HRc66以下c15)。可以推测，晶粒和渗 碳体的细化也将使钢的耐磨性得到增强。 由于硅在钢中的作用，该钢具有良好的抗回火性。图7为1133K淬火后的钢经不同温度 回火1h后硬度的变化情况。可以看出，即使在473K回火，硬度仍达HRc62,略好于9CSi 钢，比CrWMn、9Mn2V和T8、T10等钢要好得多。 在453K回火一小时后，高碳铬硅钢的抗弯强度约为2479MPa,而在此温度回火后的 9CrS钢的抗弯强度约为2156MP,T12钢约为2205MPac9),都低于高碳铬硅钢。 T62 608373394本448473459 T,K 阁7高碳铬硅钢1133K油淬并回火一小时后硬度与回火温度的关系 Fig.7 Variation of tempered hardness with temperature after oil quenched at 1133K and tempered lh of high carbon steel containing Cr and Si 22

该钢 在 以 初始 应 变速 率 高达 相 一 ’ 进 行 拉 卜叫 · 仍 得到 的延 伸率 ， 很 多 钢 种的 超 塑性拉伸初始 应变速率都 小 于 一 ’ 〔‘ 〕 ， 该钢 的 拉伸速率提 高 了约 一 个数量 级 。 超塑 性成形工艺 同其它 成形工 艺 相 比较 ， 存 在 的 最大 问题就 是形变速率太慢 ， 因而生 产率低 ， 在 很 多领 域不能 同别 的 成形工 艺 相竞 争 。 提 高超 塑性 形变速率 是许 多科学工 作者 所 努 力 企 求 的 ， 通 过 对这种钢 的研究 可知 ， 合金化是 改进超 塑性 形变速 率 的有效途径 。 图 为流变应力 和 应 变速 率 的变 化关 系 。 从 图 中可 以 得 到 该钢 在 拉 伸时 的 应 变速 率 敏 感 性 指数 ， 。 值随应变速率 呈两阶 段变 化 ， 在低速 拉 伸时 。 。 一 ‘ ， ， 在高速 拉 伸 。 。 一 ’ 时 ， ， 都 在超 塑性范 围 内 。 该钢 在 以 一 的初始 应 变速率进行拉伸时 ， 最大工程 应力 仅为 。 ， 这 个值同许 多超 塑性钢 相 比 是低 的 〔 ‘ 〕 ， 因此 ， 该钢 有可能 采 用 小设 备进 行挤压 成形 ， 而 且 会 比其它超 塑性钢更 易进行 吹 胀 成形 。 热处理和 室温 力学性能 高碳 钢通 常在高硬度状态 下使用 ， 因而 使用前都需经 过热处理 。 热处理 性能的 好坏对于 钢 使用性能 有着直 接的 影响 。 钢的热处理性 能通 常指的 是钢 的淬透性 、 淬 硬性 、 淬火时 变形 和 开 裂倾向的大 小 以及淬 火后抗回 火性 能 。 高碳铬硅钢 中由于 合金元素 和 的作 用使钢 具 有较 好的淬透性 ， 可用 油作为 淬 火 介 质 ， 因而减轻 了淬 火 变形和开 裂倾 向 。 由于 品粒细 化和渗碳 体细 化 ， 淬 火后钢 的硬 度 也 很 高 ， 在 淬火时 ， 硬度达 到 。 一 ， 而 、 、 、 ， 等常用作 工 、 模具钢 的淬火硬度通 常都在 。 以下 〔 ‘ 〕 。 可以推测 ， 晶粒和 渗 碳 体的细化也将使钢 的耐磨性得 到增强 。 由于硅在钢 中的作 用 ， 该钢具有 良好的抗 回 火性 。 图 为 淬 火 后 的钢经 不 同温 度 回火 后 硬度的 变化情 况 。 可 以看 出 ， 即使 在 回 火 ， 硬 度仍达 。 ， 略好于 钢 ， 比 、 和 、 等钢 要 好得 多 。 在 的杖回 火 一小时后 ， 高碳铬硅钢 的抗弯强度 约为 ， 而在此 温 度 回 火 后的 发钢的扰弯强度 约 为 成 ， 钢 约 为 〔 ” ，， 都低 于高碳 铬硅钢 。 一 一 、 日 ， 图 高 碳铬硅钢 油淬并 回火 一小时后硬度与 回 火温度的关系 丈 心