Cr8型冷作模具钢高性能化研究

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研究和发展优异耐磨性和韧性兼备的Cr8型冷作模具钢对满足我国对高品质冷作模具钢的迫切需求具有重要意义,提高Cr8型冷作模具钢的耐磨性和韧性也是冷作模具钢一个重要的发展趋势。本文以两种典型的Cr8型冷作模具钢Cr8WMo2V2SiNb钢和Cr8Mo2SiV钢为对象,通过合金化的方法使其高性能化。系统研究了合金元素Al、Si和Nb对Cr8型冷作模具钢的影响及作用机制。对比研究了两类钢在组织性能上的差别,为钢种的选用提供数据,促进了Cr8型冷作模具钢的系列化。深入研究了Cr8型冷作模具钢的硬化机理以及相变过程。得到主要结论如下。通过对两种钢材组织和性能的对比分析表明,Cr8Mo2SiV钢的铸态组织中存在M7C3和M2C型共晶碳化物,而Cr8WMo2V2SiNb钢中则存在MC, M6C和M7C3型共晶碳化物;Cr8Mo2SiV钢的淬火峰值硬度比Cr8WMo2V2SiNb高,但峰值温度较低;致使Cr8Mo2SiV钢在560℃以前的回火硬度高于Cr8WMo2V2SiNb钢,但在更高的回火温度,Cr8WMo2V2SiNb钢的回火硬度更高;Cr8WMo2V2SiNb钢比Cr8Mo2SiV钢具有更高的抗弯屈服强度和更好的耐滑动磨损性能;两种钢的冲击韧性基本相当,为了提高Cr8Mo2SiV钢的冲击韧性,提出可适当降低其碳含量。通过系统的研究A1对Cr8WMo2V2SiNb钢的组织和性能的影响表明,Al能够细化Cr8WMo2V2SiNb钢的铸态组织,细化碳化物,同时细化奥氏体晶粒;A1完全固溶于基体,产生固溶强化,能够提高Cr8WMo2V2SiNb钢的回火硬度、抗弯强度以及耐磨性;另外,A1能够强烈提高Acl点温度,缩小奥氏体相区。首次发现,1.2wt%的Al可将Cr8WMo2V2SiNb钢的Acl点温度提高到1000℃。并提出,在高合金钢中添加Al尤其要注意对临界点温度的影响,其添加量要考虑到与Cr和V合理的配合。通过系统的研究Nb对Cr8WMo2V2SiNb钢的组织和性能的影响表明,Nb提高MC型共晶碳化物的析出温度及包共晶反应温度;Nb改变MC型共晶碳化物类型,随Nb含量的升高,MC型共晶碳化物由以V为主变成含有Nb和V复合,再变成以Nb为主及Nb和V复合。复杂迷宫状的MC莱氏体减少,简单平直的NbC增多;在Cr8WMo2V2SiNb钢中以Nb替代V不仅可以降低V含量,当Nb含量达到1.32%时,还能显著提高低温淬火硬度,提高二次硬化硬度及抗回火软化能力,同时降低Nb-V总量,节约资源。通过系统的研究Si对Cr8Mo2SiV钢的组织和性能的影响表明,Si能够同时提高Cr8Mo2SiV钢的低温回火硬度、二次硬化效果、抗弯强度和冲击韧性;同时,Si提高Cr8Mo2SiV钢的Ac1、Ac3和Ms温度,导致低温淬火阶段Cr8Mo2SiV钢的淬火硬度随着Si含量的增加而降低,高温淬火阶段淬火硬度随着Si含量的增加而升高。通过深入研究Cr8Mo2SiV钢的二次硬化机理表明,Cr8型冷作模具钢的二次硬化是残余奥氏体的转变和合金碳化物的析出前期的G.P区共同作用的结果,而残余奥氏体转变的作用更大。Cr8Mo2SiV钢的二次硬化碳化物是Mo2C, Cr8WMo2V2SiNb钢则还含有VC。通过深入研究Cr8Mo2SiV钢回火过程中的相变行为以及回复和再结晶机制表明,Cr8Mo2SiV钢淬火后的回火过程中发生的相变即包括碳化物从过饱和马氏体中析出、预析出以及马氏体自身回复的过程。碳化物的脱溶存在如下贯序:Cr8Mo2SiV钢在回复过程中可以发生多边化过程以及形成位错胞过程;Cr8Mo2SiV钢回复过程中亚晶的形成过程可以分为:(1)位错胞→亚晶;(2)高密度位错界面→多边化→位错墙→亚晶。形成的小亚晶以亚晶界凸出机制迁移及亚晶聚合机制生长;Cr8Mo2SiV钢原有的和脱溶沉淀析出的大量第二相粒子会钉扎位错影响位错的相互对消和重新排列以及小角度界面的形成,从而阻碍回复和再结晶过程。弥散的第二相粒子也能钉扎亚晶界,阻碍亚晶和再结晶晶粒长大;回复再结晶后的晶粒十分细小,晶粒随保温时间的长大非常缓慢,存在如下关系:S(μm)=138.3+161.91nt。建立了Cr8Mo2SiV钢中M23C6碳化物的粗化动力学模型,试验结果证明其粗化过程主要是由溶质扩散所控制,存在如下关系:r(nm)=55t1/3,符合模型的t1/3规律。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-8页
第一章 绪论第11-37页
    1.1 引言第11-14页
    1.2 冷作模具钢的主要失效形式及性能要求第14-19页
    1.3 合金元素在模具钢中的作用第19-26页
    1.4 国内外冷作模具钢的研究发展历程及现状第26-36页
    1.5 本论文的研究意义及主要研究内容第36-37页
第二章 Cr8型冷作模具钢组织性能研究及对比第37-52页
    2.1 引言第37页
    2.2 试验材料及方法第37-39页
    2.3 铸态组织观察及分析第39-42页
    2.4 退火组织观察第42-43页
    2.5 淬火组织和硬度对比及分析第43-46页
    2.6 回火力学性能对比及分析第46-50页
    2.7 Cr8型冷作模具钢中碳含量的控制第50页
    2.8 本章小结第50-52页
第三章 Al对Cr8WMo2V2SiNb钢组织和性能的影响第52-67页
    3.1 引言第52页
    3.2 试验材料及方法第52-53页
    3.3 Al对铸态组织的影响第53页
    3.4 Al对退火组织的影响第53-54页
    3.5 Al对淬火硬度和组织的影响第54-58页
    3.6 Al回火力学性能的影响第58-62页
    3.7 高合金钢中添加Al的考虑第62-65页
    3.8 本章小结第65-67页
第四章 不同Nb-V含量对Cr8WMo2V2SiNb钢组织和性能的影响第67-77页
    4.1 引言第67-68页
    4.2 试验材料及方法第68页
    4.3 不同Nb-V含量对铸态组织的影响第68-71页
    4.4 不同Nb-V含量对淬火组织和硬度的影响第71-74页
    4.5 不同Nb-V含量对回火力学性能的影响第74-76页
    4.6 本章小结第76-77页
第五章 不同Si含量对Cr8Mo2SiV钢组织和性能的影响第77-89页
    5.1 引言第77-78页
    5.2 试验材料及方法第78页
    5.3 不同Si含量对退火组织和硬度的影响第78-81页
    5.4 不同Si含量对淬火组织和硬度的影响第81-83页
    5.5 不同Si含量对回火力学性能的影响第83-86页
    5.6 Si提高强韧性的机制第86-88页
    5.7 本章小结第88-89页
第六章 Cr8型冷作模具钢的二次硬化机理第89-107页
    6.1 引言第89页
    6.2 试验材料及方法第89-90页
    6.3 试验结果与分析第90-96页
    6.4 回火硬度的变化规律第96-97页
    6.5 钢中的二次硬化碳化物及作用机制第97-100页
    6.6 G.P区的形成和强化机制第100-103页
    6.7 残余奥氏体转变对二次硬化的贡献第103-104页
    6.8 Cr8WMo2V2SiNb钢的二次硬化机理第104-106页
    6.9 本章小结第106-107页
第七章 Cr8型冷作模具钢回火过程中的相变行为第107-128页
    7.1 引言第107页
    7.2 试验材料及方法第107-108页
    7.3 不同回火温度及保温时间下硬度的衰减规律第108-110页
    7.4 Cr8型冷作模具钢回火过程中的相变第110-115页
    7.5 碳化物析出的动力学分析第115-117页
    7.6 再结晶晶粒长大规律第117-119页
    7.7 Cr8型冷作模具钢的回复与再结晶机制第119-122页
    7.8 Cr8型冷作模具钢中M23C6碳化物的粗化动力学第122-127页
    7.9 本章小结第127-128页
第八章 结论第128-130页
本论文创新点第130-131页
致谢第131-132页
参考文献第132-140页
攻读博士期间参加的主要科研项目及发表的论文第140-141页
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