新型高Cr热作模具钢的组织与性能

论文摘要

本文采用THERMO-CALC软件优化了新型高Cr热作模具钢（HHD钢）的成分设计,并以该成分为依据研究了碳、铬含量,孕育变质和强韧化热处理工艺对HHD钢组织、力学性能、热疲劳性能等的影响规律与作用机制。研究发现,新型HHD钢为低碳板条马氏体钢,具有优良的淬透性,过冷奥氏体十分稳定,在冷却速度小于0.53℃/s时（冷却30分）才有碳化物析出,而H13钢冷却90秒后就开始有碳化物析出。HHD钢经强韧化热处理后,获得了大量弥散分布在基体上的纳米级MC、M23C6和Mo2C型碳化物,这些弥散的纳米级碳化物十分稳定,保证了HHD钢的高温弥散强化效果,大大地提高了HHD钢的高温性能。实验结果表明,新型HHD钢的高温强度、抗热疲劳性、耐磨性、抗氧化性、热塑性（锻造成型性）和热稳定性均优于ASSAB8407（进口H13）钢。研究发现热作模具的使用寿命不仅与强韧性有关,同时还与氧化密切相关,氧化大大地加快了热疲劳裂纹的萌生与扩展和高温下的磨损。新型HHD钢具有高的强韧性与抗氧化性的良好配合,使其使用寿命大大高于H13、3Cr2W8V等商业热作模具钢。生产实验表明,采用HHD钢制造的铜合金放气阀本体压铸模具、铜合金汽车变速箱同步环精密锻造模具、汽车输出法兰第三工位冲头热镦模具和空调调节阀锻造模具,使用寿命分别是目前企业正在使用的H13、3Cr2W8V等钢加工而成的同类模具的2.34.8倍、10倍、1.6倍和3倍,而且新型HHD钢模具成本较低,深受应用者欢迎。可见,本研究开发的新型HHD钢具有广阔的应用前景与显著的经济效益!

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 目的与意义
• 1.2 热作模具钢的国内外研究现状与发展
• 1.2.1 国外热作模具钢研究现状
• 1.2.1.1 低Cr-Mo 系热作模具钢
• 1.2.1.2 H 系列热作模具钢
• 1.2.1.3 QRO 系列热作模具钢
• 1.2.1.4 国外模具钢开发的最新进展
• 1.2.2 国内热作模具钢研究现状
• 1.3 热作模具钢的性能要求
• 1.3.1 硬度和红硬性
• 1.3.2 强韧性
• 1.3.3 抗热疲劳性
• 1.3.4 耐磨性
• 1.3.5 抗氧化性
• 1.3.6 淬透性
• 1.4 热疲劳研究的发展
• 1.5 热疲劳影响因素
• 1.5.1 化学成分的影响
• 1.5.2 力学性能的影响
• 1.5.3 热处理工艺的影响
• 1.5.3.1 奥氏体化温度的影响
• 1.5.3.2 回火温度的影响
• 1.5.4 微观结构的影响
• 1.5.4.1 微观组织对疲劳性能的影响
• 1.5.4.2 晶粒尺寸和沉淀析出物尺寸的影响
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验用钢的制备
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 实验用钢的熔炼
• 2.2 热处理
• 2.3 性能测试方法和评判标准
• 2.3.1 室温与高温拉伸
• 2.3.2 室温与高温冲击韧性
• 2.3.3 室温与高温硬度
• 2.3.4 热物理参数测定
• 2.3.5 连续冷却曲线（C 曲线）的测定
• 2.3.6 特殊性能测试
• 2.3.6.1 热疲劳性能
• 2.3.6.2 热稳定性
• 2.3.6.3 抗氧化性
• 2.3.6.4 热磨损性能
• 2.3.6.5 锻造成形性
• 2.3.6.6 回火稳定性
• 2.4 微观分析
• 第三章 平衡相图计算与成分优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 平衡相图计算的基本原理
• 3.3 新型高Cr 热作模具钢的成分设计思想
• 3.4 HHD 钢平衡相图模拟计算优化设计
• 3.4.1 碳含量对HHD 钢平衡相形成的影响规律
• 3.4.1.1 不同碳含量HHD 钢平衡相图模拟计算结果
• 3.4.1.2 碳含量对HHD 钢α→γ转变的影响规律
• 3.4.1.3 碳含量对HHD 钢碳化物形成的影响规律
• 3.4.2 铬含量对HHD 钢平衡相形成的影响规律
• 3.4.2.1 不同铬含量HHD 钢平衡相图模拟计算结果
• 3.4.2.2 铬含量对HHD 钢α→γ转变的影响规律
• 3.4.2.3 铬含量对HHD 钢碳化物形成的影响规律
• 3.4.3 碳、铬同时作用对HHD 钢平衡相形成的影响规律
• 3.5 微量元素的成分设计
• 3.5.1 N 的优化
• 3.5.1.1 N 对HHD 钢组织的影响
• 3.5.1.2 N 对HHD 钢力学性能的影响
• 3.5.2 稀土复合变质
• 3.5.2.1 Ce 对HHD 钢组织的影响
• 3.5.2.2 Y 对HHD 钢组织的影响
• 3.5.2.3 Ce 对HHD 钢力学性能的影响
• 3.5.2.4 Y 对HHD 钢力学性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 强韧化热处理工艺对HHD 钢组织与力学性能的影响规律
• 4.1 HHD 钢CCT 曲线的测定
• 4.2 HHD 钢铸态组织
• 4.3 预处理对HHD 钢组织与性能的影响规律
• 4.3.1 预处理工艺对HHD 钢组织的影响
• 4.3.2 预处理工艺对HHD 钢力学性能的影响
• 4.3.2.1 预处理工艺对硬度的影响
• 4.3.2.2 预处理工艺对冲击韧性的影响
• 4.3.3 分析与讨论
• 4.4 淬火温度对HHD 钢组织及性能的影响规律
• 4.4.1 淬火温度对HHD 钢组织的影响
• 4.4.2 淬火温度对HHD 钢力学性能的影响
• 4.4.2.1 淬火温度对硬度的影响
• 4.4.2.2 淬火温度对冲击韧性的影响
• 4.4.3 分析与讨论
• 4.5 回火温度对HHD 钢组织与性能的影响规律
• 4.5.1 回火温度对HHD 钢组织的影响
• 4.5.1.1 580℃回火组织
• 4.5.1.2 650℃回火组织
• 4.5.2 回火温度对HHD 钢力学性能的影响
• 4.5.3 分析与讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 HHD 钢的热疲劳行为
• 5.1 合金元素对热疲劳性能的影响规律
• 5.1.1 C 元素对热疲劳性能的影响
• 5.1.2 Cr 元素对热疲劳性能的影响
• 5.1.3 N 对热疲劳性能的影响
• 5.2 稀土变质对热疲劳性能的影响
• 5.2.1 Y 对热疲劳性能的影响
• 5.2.2 Ce 对热疲劳性能的影响
• 5.2.3 Y-Ce 复合变质对热疲劳性能的影响
• 5.3 热处理工艺对热疲劳性能的影响
• 5.3.1 预处理工艺对HHD 钢热疲劳性能的影响
• 5.3.1.1 固溶温度对HHD 钢热疲劳性能的影响
• 5.3.1.2 退火温度对HHD 钢热疲劳性能的影响
• 5.3.2 淬火温度对HHD 钢热疲劳性能的影响
• 5.3.3 回火温度对热疲劳性能的影响
• 5.4 HHD 钢与ASSA88407（H13）钢热疲劳性能的对比
• 5.5 热作模具钢的热疲劳机制
• 5.5.1 热循环过程中的应力
• 5.5.2 热疲劳裂纹的萌生
• 5.5.2.1 塑性应变集中处
• 5.5.2.2 第二相质点与基体交界处作为裂纹源
• 5.5.2.3 高温下的氧化与点蚀
• 5.5.3 热疲劳裂纹的扩展
• 5.6 本章小结
• 第六章 新型HHD 钢的性能及其实际应用
• 6.1 热物理性能
• 6.1.1 线膨胀系数
• 6.1.2 比热
• 6.1.3 热扩散系数与导热系数
• 6.1.4 密度
• 6.2 高温性能
• 6.2.1 高温拉伸性能
• 6.2.2 高温硬度
• 6.2.3 高温冲击韧性
• 6.2.4 高温锻造成型性
• 6.2.5 热稳定性
• 6.2.6 热磨损性能
• 6.2.7 抗氧化性能
• 6.3 HHD 钢的现场应用
• 6.3.1 HHD 钢在压铸模具中的应用
• 6.3.1.1 铝合金转向柱管下支架压铸模具
• 6.3.1.2 铜合金放气阀本体压铸模具
• 6.3.2 HHD 钢在锻造模具中的应用
• 6.3.2.1 汽车变速箱同步环精密锻造模具
• 6.3.2.2 热镦模具
• 6.3.2.3 空调调节阀锻坯锻造模具
• 6.4 HHD 钢高寿命机制的探讨
• 6.4.1 强韧化机制
• 6.4.1.1 固溶强化
• 6.4.1.2 弥散强化
• 6.4.1.3 细晶强化
• 6.4.2 抗氧化机制
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract