合金元素在模具鋼材中的作用

         眾所周知，占鋼總產量80％左右的碳素鋼，是基本的工業用鋼。它種類齊全，生產簡單，價格低廉，通過不同的熱處理后，可獲得不同的力學性能，因此得到了極廣泛的應用。但碳素鋼的強度及淬透性低、熱硬性差，耐磨、耐蝕和耐熱等性能也都比較低。況且，工業的發展特別是國防、交通運輸、石油和化工等工業的發展，對材料提出了更高的要求，因而使用領域受到限制。為了改善碳素鋼的力學性能、工藝性能或某些特殊的物理、化學性能，在冶煉時，有選擇地向鋼液中加入一些合金元素，如錳、硅、鉻、鎳、鋁、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、稀土元素等，這類鋼就統稱為合金鋼。模具鋼材是合金鋼中的一種。
㈠.碳素鋼用途的局限性
⑴淬透性低
一般情況下，碳素鋼淬火要求水冷，它水淬的最大淬透直徑為15～20mm，因此在制造大尺寸和形狀復雜的零件時，不能保證性能的均勻性和幾何形狀不變。
⑵強度和屈強比較低
強度低使工程結構和設備笨重。A3鋼的σs≥240MPa，而低合金結構鋼16Mn的σs≥360MPa。屈強比低說明強度的有效利用率低。40碳鋼的σs／σb為0.43，而合金鋼35CrNi3Mo 的σs／σb可達0.74。
⑶回火穩定性差
由于回火穩定性差，碳素鋼在進行調質處理時，為了保證較高強度而回火溫度應低些時,韌性又偏低；為了保證較好韌性而回火溫度應高些時強度又偏低，所以碳素鋼的綜合機械性能很難提高上去。
⑷不能滿足某些特殊性能的要求
碳素鋼在抗氧化、耐腐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨以及特殊電磁性能等方面往往較差，不能滿足特殊使用要求。
為了解決上述問題，在碳素鋼中特意加入合金元素，以彌補以上不足之處。
㈡.合金元素在模具鋼材中的作用
合金元素在模具鋼材中的作用非常復雜，到目前為止對它的認識還很不全面。
下面著重分析合金元素與鐵和碳的作用、對鐵碳相圖的影響規律。
⒈合金元素與鐵和碳的作用
合金元素加入鋼中，主要與鐵形成固溶體，或者與碳形成碳化物，少量存在于夾雜物（如
氧化物、氮化物、硫化物及硅酸鹽等）中，在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。
⑴溶入鐵中
幾乎所有合金元素（除Pb外）都可與鐵形成合金鐵素體或合金奧氏體。按照合金元素對α−Fe或γ−Fe的作用，可將它們分為兩大類。
①擴大γ相區元素 亦稱奧氏體穩定化元素，主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等。
它們使相圖中N 點下降，G點上升，從而擴大γ相的存在范圍。其中Ni、Mn等元素加入到一定量后，可使G點降到室溫以下，使α相完全消失，它們稱為完全擴大γ區的元素。另外一些元素如C、N和Cu等，雖擴大γ相區，但不能將其擴大到室溫，所以它們稱為部分擴大γ區的元素。
②縮小γ相區元素 亦稱F穩定化元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等。它們使G點上升，N點下降（Cr 例外， Cr含量小于7％時，G點下降；大于7％后G點迅速上升），從而縮小γ相存在范圍，使F 穩定區域擴大。其中Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等元素超過一定含量時，G點與N點重合，使γ相區被封閉，這時合金在固態范圍內一直處于單相α相狀態，它們稱為完全封閉γ區的元素。另外一些元素，如B、Nb、Zr等，雖然也使γ相區溫度范圍縮小，但不能使其封閉，稱為部分縮小γ區的元素。
上述元素中，只有C、N、B與鐵形成間隙固溶體，其它均與鐵形成置換固溶體。
⑵形成碳化物
合金元素按其與鋼中碳親合力大小，分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。
①常用非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B等。它們不與碳形成化合物，除了在少數高合金鋼中可形成金屬間化合物外，基本上都溶于F 和A 中。
②常用碳化物形成元素有：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等（按形成的碳化物的穩定性程度由弱到強的次序排列）。它們都是元素周期表中位于鐵左方的過渡族元素。Mn與碳的親合力較弱，少部分溶于滲碳體中，大部分溶于F或A中。與碳的親和力較強的Cr、Mo、W等，含量較低時基本上與鐵一起形成合金滲碳體；含量較高時可形成新的合金碳化物。而與碳的親合力很強的元素V、Ti、Nb、Zr等，幾乎都是形成特殊碳化物。此外，總還有一部分強碳化物形成元素會溶于F或A中。
合金滲碳體是部分鐵原子被碳化物形成元素置換后的滲碳體，如(Fe, Cr)3 C、(Fe, Mn)3 C等，其晶體結構與滲碳體相同，但比滲碳體略穩定些，硬度也略高些，這對提高鋼的耐磨性更有利。
合金碳化物Mn 3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe 3W 3 C等，比合金滲碳體的穩定性更高，而特殊碳化物Mo2C、W2C、VC、TiC等的穩定性最高。穩定性愈高的碳化物，其熔點和硬度也愈高，加熱時也愈難溶于奧氏體中，因此對鋼的機械性能和工藝性能的影響很大。
⒉合金元素對鐵碳相圖的影響
合金元素對鐵碳相圖的影響,與對純鐵的影響類似，但更復雜一些、影響主要分兩方面：
⑴對A和F存在范圍的影響
①擴大γ相區元素均擴大鐵碳相圖中A存在的區域，其中完全擴大γ區的元素Ni或Mn的含量較多時，可使鋼在室溫下得到單相A組織，例如1Cr18Ni9高鎳A不銹鋼和ZGMn13高錳耐磨鋼等。
②縮小γ相區元素均縮小鐵碳相圖中A存在的區域，其中完全封閉γ區的元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內的廣大溫度范圍內獲得單相F組織，例如1Cr17Ti高鉻F不銹鋼等。
⑵對鐵碳相圖臨界點（S點和E點）的影響
①擴大γ相區的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉變溫度下降。
②縮小γ相區的元素則使其上升并都使共析反應在二個溫度范圍內進行。合金元素還對共析點和共晶點的成分產生影響。幾乎所有合金元素都使共析點碳含量降低；共晶點也有類似的規律，尤以強碳化物形成元素的作用最強烈。S點及E點的左移，使合金鋼的平衡組織發生變化（不能完全用鐵碳相圖來分析）。例如，含0.3％C的3Cr2W8V熱模具鋼已為過共析鋼，而碳含量不超過1.0％的W18Cr4V高速鋼，在鑄態下已具有萊氏體組織。