新型压铸模具钢FS438高温拉伸性能研究

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新型压铸模具钢FS438高温拉伸性能研究

牟风，康爱军，刘明，王琳，曹莹

抚顺特殊钢股份有限公司技术中心（辽宁抚顺 U 3001)

【摘要】研究了抚钢生产的新型压铸模具钢FS438的高温拉伸性能。结果表明FS438钢在室 温下抗拉强度达到l，629MPa，随环境温度的升高，抗拉强度随之降低，在650尤时，抗拉强度 为815MPa,此温度下高温拉伸性能明显优于H13钢，约高于H13钢300MPa,说明FS438在 600￡^〜650尤范围内仍然具有良好的高温拉伸性能，能够适应该温度下恶劣的工作环境。

关键词：压铸模具钢；高温拉伸性能;显微组织；断口

1    引言
近年来，铝合金、镁合金压铸产品广泛应用于汽 车、电子等行业,此类压铸模经常与6001〜700T的高 速熔化的炽热金属液接触，并被反复的加热、冷却，工 作环境极其恶劣，为适应压铸模恶劣的工作环境，提 高使用寿命，要求优质的热作模具钢应具有良好的回 火稳定性，良好的高温性能，高的强度，韧性和抗冷热 疲劳性能
本文研究的新型热作模具钢（文中称为FS438) 是抚顺特钢与钢铁研究总院合作研制一种高性能压 铸模具钢。其合金成分在H13钢的基础上提高了Mo 的含量，同时降低了 Si、V的含量。研究发现，由于提高了 Mo含量，从而推迟了高温稳定性较好的MC型 碳化物向稳定性较差的M23C6型碳化物转变，使该钢种具有更为持久的高温强度，大大提高了模具的使用寿命m。
2    材料制备和试验方法
2.1    材料制备
试验材料取自FS438锻制扁钢，其尺寸规格为 330x810mm。试验钢的主要工艺流程为30t EAF- LF - VD-浇注电极—保护气氛电渣重熔电渣锭—高温 均质化处理—3,500t快锻机多向锻制成材—组织均匀 化处理—球化退火。试验钢化学成分如表1所示。

    本试验中淬回火试样及高温拉伸试样取自锻制扁 钢横向截面中心处。泮回火试样尺寸为20x20x10mm， 高温拉伸试样尺寸为05mm,长度70mm (横截面直径尺寸公差为±0.05mm)，试样具体尺寸如图1所示。
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: Q$ M; v* O" |" P; }' }. s. q' c/ y2.2    试验方法
首先对FS438钢进行淬、回火曲线测定，采用 TH300型洛氏硬度计测定淬、回火硬度，根据硬度测 试数值绘制FS438钢淬回火曲线，获得高温拉伸试样 的最佳热处理工艺。FS438钢试样经热处理后，按 GB/T228规定检测室温拉伸性能，按GB/T4338规定检 测高温拉伸性能；采用INSTRON4483型电子拉伸试 验机及DDL150高温拉伸试验机检测。
, E: F& j" {& [$ _. R  Q& J共试验8个温度点，依次为室温(25℃)、400℃、 500℃、600℃.650℃、670℃、690℃,700℃,温度偏差 在±3℃。环境温度由箱式加热炉加热到规定的温度， 然后保温30min,每个温度下各对2个试件进行试验。试验后拉伸试样经4%的硝酸酒精腐蚀后采用 Axiovert40MAT显微镜观察不同温度下的显微组织， 釆用EVO 18型扫描电镜观察不同温度下拉伸试样的断口形貌。
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3    试验结果及分析
3.1    高温拉伸试样的热处理
% J( Q$ ~( K$ P* w3 f对试验钢进行淬、回火硬度的测试，图2中硬度随 淬火温度的升高表现出先上升再下降的趋势，在 l，030℃时达到硬度的峰值(56.2HRC)。按照淬火得 到高硬度、较小的晶粒尺寸的原则，淬火温度选择曲 线的峰值温度1，030℃。图3中，在温度300℃〜550℃ 范围内回火时，随温度的升高硬度先降低后升高， 550℃回火时得到一个峰值(52.5HRC)。然后，随着回 火温度的继续升髙硬度持续下降，在700℃时硬度降 低到24HRC。刘宗昌等很早就研究过H13钢的二次 硬化'而试验钢在H13的基础上调整了 Mo、V、Si合 金元素，同样表现出了二次硬化效应,在二次硬化峰后进行回火不仅有较好的强度和耐磨性，同时具有较好的韧性，可提高材料的使用寿命。因此，试验钢的最佳热处理制度为l，030℃保温、油淬;经600℃保温回火,将硬度调整到47〜48HRC。

3.2   高温拉伸试验结果
# Z5 V' ~5 n0 [) A" L表2给出了试样在室温到700℃不同温度下的高 温拉伸试验结果,根据试验结果得出试验钢的高温拉 伸性能及拉伸性能随温度的变化规律，如图4所示。

由表2可以看出，FS438钢在室温下抗拉强度达 到l,629MPa,屈服强度达到l，505MPa,随着环境温度 的升高，强度随之降低，有资料显示H13钢在600℃以 下服役，有较高的强韧性和抗热疲劳性能，但在600℃以上情况下服役时，其热强性急剧下降该试验钢 FS438在600℃以下，抗拉强度均在l,000MPa以上,

650℃时仍具有815MPa的抗拉强度，H丨3钢在650℃时抗拉强度为520MPa，屈服强度为425M Pa，说明FS438钢的高温拉伸性能要明显优于H13,能够保证压铸模在长期高温使用环境下仍具有很高的强度。当温度超过650T,随着温度的升高，强度快速下降，当温度在70℃时，抗拉强度仅为423MPa，屈服强度为345MPa，其强度约为室温时的四分之一；断面收缩率为40%,约为室温时断面收缩率的3倍;伸长率为94%，约为室温时伸长率的2倍，此时，塑性较好，如图4所示。

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3.3    显微组织
将FS438高温拉伸试样进行磨制、抛光，经4%硝酸酒精腐蚀1〜2min，使用金相显微镜在500倍下观察其显微组织，如图5所示。FS438经淬回火后显微组织为回火马氏体及少量碳化物和贝氏体，由于试验时拉伸试样在加热过程中保温时间较短，®本未发生组织转变，所以随着环境温度的升高，试样的显微组织基本相同。
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1 \( B; Y1 T" A9 _# G1 E3.4    断口形貌
图6为高温拉伸试样断口SEM低倍形貌，从图6中可以看出FS438钢从室温至700X：拉伸试样断口在宏观上均呈杯 锥状，为典型的杯锥状断口，说 明在断裂前发生了较大的塑性 变形161，断口中心区为杯部断口 具有纤维状特征，边部剪切唇 区为锥部断口，与主应力方向 约成45°角m，断口中未见明显 的放射区，说明FS438高温拉伸 断口为韧性断口的宏观形貌。图7为高温拉伸试样断 口 SEM高倍形貌，从图7中可 以看出FS438钢从室温至 700 X：拉伸试样断口微观上 仍然是韧窝状断口，微观形貌 大多为等轴或拉长状
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只是韧窝随着环境温度的升高而变大变深，以微孔聚 集并长大的机理发生断裂。当温度达到650T时断口 还表现为较细小的韧窝状断口，说明在此温度时还具 有较高的强度和韧性，但当温度达到700T时,断口中 的韧窝变大，对应拉伸强度也明显降低，这时材料的 承载能力较低，容易断裂，FS438钢已不适合在这个温 度下工作。
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; b* Y% v0 ^9 e, u4结论
(1) FS438钢的高温拉伸性能随环境温度的升高 而下降，室温下抗拉强度达】，629MPa，当环境温度升 高到600℃时，抗拉强度保持在1,064MPa时抗拉强度降低到423MPa，约为室温下强度的四分之一。
  G6 J4 Z3 `& z1 T(2) FS438经热处理后的组织主要为回火马氏体 及少量碳化物和贝氏体，随着环境温度的升高，拉伸 试样的显微组织基本相同。
9 v3 W& m" u. X) V(3) 通过断口 SEM分析，FS438钢拉伸试样断口 为韧性断裂，从微观形貌上看属于微孔聚集型断裂。
8 N5 {8 F; b" B% Z8 t/ [(4) 试验表明FS438钢在650℃时，抗拉强度为 815MPa，高于H13钢约300MPa，说明此温度下高温性 能明显高于H13钢。

(5) 通过试验结果可知，FS438在600℃〜650℃范围内仍然具有良好的高温性能，能够适应该温度下恶 劣的工作环境。
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