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合金元素在合金模具鋼中的用途
眾所周知，占鋼鐵總產(chǎn)量80%左右的碳鋼是更基本的工業(yè)用鋼。它種類繁多，生產(chǎn)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的力學(xué)性能，因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而，碳鋼具有低強(qiáng)度、淬透性、差的熱硬度、低耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性。此外，工業(yè)的發(fā)展，特別是國(guó)防、交通、石油和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料提出了更高的要求，因此應(yīng)用領(lǐng)域有限。為了改善碳鋼的機(jī)械性能、工藝性能或某些特殊的物理和化學(xué)性能，在冶煉過程中，一些合金元素，如錳、硅、鉻、鎳、鋁、鎢、釩、鈦、鈮、鋯和稀土元素，被選擇性地加入到鋼水中，這些鋼統(tǒng)稱為合金鋼。模具鋼是合金鋼之一。
一.碳鋼應(yīng)用的局限性
(1)低淬透性
一般來說，碳鋼的淬火需要水冷，其更大淬火直徑為15~20毫米，因此在制造大型復(fù)雜零件時(shí)，不能保證性能和幾何形狀的均勻性。
?、茝?qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較低
低強(qiáng)度使工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備變得沉重。A3鋼的σs≥240MPa，而16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼的σs≥360MPa。屈強(qiáng)比低表明強(qiáng)度的有效利用率低。40碳鋼的σs/σb為0.43，而35CrNi3Mo合金鋼的σs/σb可達(dá)0.74。
?、腔鼗鸱€(wěn)定性差
由于回火穩(wěn)定性差，為了保證較高的強(qiáng)度，當(dāng)回火溫度較低時(shí)，碳鋼的韌性較低；為了保證較好的韌性，當(dāng)回火溫度較高時(shí)，強(qiáng)度較低，因此很難提高碳鋼的綜合力學(xué)性能。
(4)不能滿足某些特殊性能的要求
碳鋼往往抗氧化性、耐腐蝕性、耐熱性、耐低溫性、耐磨性和特殊的電磁性能較差，不能滿足特殊的使用要求。為了解決上述問題，在碳鋼中專門添加合金元素來彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。
二.合金元素在模具鋼中的作用
合金元素在模具鋼中的作用非常復(fù)雜，到目前為止，對(duì)它的認(rèn)識(shí)還不全面。
分析了合金元素對(duì)鐵和碳的影響及其對(duì)鐵-碳相圖的影響。
1.合金元素對(duì)鐵和碳的影響
加入鋼中的合金元素主要與鐵形成固溶體或與碳形成碳化物，少量存在于夾雜物中(如氧化物、氮化物、硫化物和硅酸鹽等)。)。金屬間化合物也可以在高合金鋼中形成。
(1)溶于鐵
幾乎所有的合金元素(鉛除外)都能與鐵形成合金鐵素體或合金奧氏體。根據(jù)α上的合金元素？鐵還是γ？鐵的功能可分為兩類。(1)擴(kuò)展γ相區(qū)元素也稱為奧氏體穩(wěn)定元素，主要是錳、鎳、鈷、碳、氮、銅等。它們使相圖中的N點(diǎn)下降，G點(diǎn)上升，從而擴(kuò)大了γ相的存在范圍。當(dāng)鎳、錳等元素加入到一定量時(shí)，g點(diǎn)可降至室溫以下，α相可完全消失。它們被稱為完全擴(kuò)展γ區(qū)的元素。其他元素，如碳、氮、銅等。，擴(kuò)展γ相區(qū)，但不能將其擴(kuò)展到室溫，因此它們被稱為部分?jǐn)U展γ相區(qū)的元素。②減少γ相區(qū)的元素也稱為穩(wěn)定元素，主要包括鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鋁、硅、硼、鈮、鋯等。它們使g點(diǎn)上升，使N點(diǎn)下降(鉻除外，當(dāng)鉻含量低于7%時(shí)，g點(diǎn)下降；g點(diǎn)在超過7%后迅速上升，從而縮小了γ相的存在范圍，擴(kuò)大了F穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鋁、硅等元素超過一定含量時(shí)，g點(diǎn)與N點(diǎn)重合，γ相區(qū)閉合。此時(shí)，合金在固態(tài)時(shí)總是處于單相α相狀態(tài)，它們被稱為完全封閉γ相區(qū)的元素。其他元素，如硼、鈮、鋯等。，也可以降低γ相區(qū)的溫度范圍，但不能關(guān)閉它，所以它們被稱為部分降低γ相區(qū)的元素。
在上述元素中，只有碳、氮和硼與鐵形成間隙固溶體，而其他元素與鐵形成置換固溶體。
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合金元素根據(jù)其與鋼中碳的親和力可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素。①常見的非碳化物形成元素有鎳、鈷、銅、鋁、硅、氮、硼等。它們不與碳形成化合物，并且它們基本上溶解在氟和甲中，除了金屬間化合物可以在一些高合金鋼中形成。②常用的碳化物形成元素有錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯等。(按照形成的碳化物的穩(wěn)定程度從弱到強(qiáng)的順序)。它們都是元素周期表中鐵左邊的過渡族元素。錳與碳的親和力較弱，少量錳溶于滲碳體中，大部分錳溶于氟或鋁、鉻、鉬、鎢等。與碳有很強(qiáng)親和力，當(dāng)含量較低時(shí)，基本上與鐵形成合金滲碳體；當(dāng)含量較高時(shí)，可以形成新的合金碳化物。釩、鈦、鈮、鋯等元素。，與碳有很強(qiáng)的親和力，幾乎都形成特殊的碳化物。此外，一些強(qiáng)碳化物形成元素總是溶解在氟或鋁中..
合金滲碳體是一種滲碳體，其中一些鐵原子被碳化物形成元素取代，如(鐵，鉻)3C，(鐵，錳)3C等。其晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，但比滲碳體略穩(wěn)定，硬度略高，更有利于提高鋼的耐磨性。
合金碳化物Mn3C、Cr7C3、Cr23C6和Fe3W3C的穩(wěn)定性高于合金滲碳體，而特殊碳化物Mo2C、W2C、VC和TiC的穩(wěn)定性更高。碳化物的穩(wěn)定性越高，其熔點(diǎn)和硬度就越高，受熱時(shí)就越難溶解在奧氏體中，因此對(duì)鋼的機(jī)械和工藝性能有很大的影響。
2.合金元素對(duì)鐵碳相圖的效應(yīng)
合金元素對(duì)鐵-碳相圖的影響與對(duì)純鐵的影響相似，但更為復(fù)雜。影響主要分為兩個(gè)方面:
(1)擴(kuò)大γ相面積的元素?cái)U(kuò)大了鐵碳相圖中α的存在范圍。當(dāng)完全擴(kuò)展γ相區(qū)的鎳或錳含量較大時(shí)，該鋼在室溫下可獲得單相α結(jié)構(gòu)，如1Cr18Ni9高鎳α不銹鋼和ZGMn13高錳耐磨鋼。
減少γ相面積的元素都減少了鐵-碳相圖中a存在的面積。如果元素(如鉻、鈦、硅等)完全封閉γ相面積超過一定含量，該鋼可在包括室溫在內(nèi)的較寬溫度范圍內(nèi)獲得單相f組織，如1Cr17Ti高鉻f不銹鋼等。
?、茖?duì)鐵碳相圖臨界點(diǎn)(S點(diǎn)和E點(diǎn))的影響。γ相區(qū)元素的膨脹使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度降低。減少γ相區(qū)的元素使其升高，并使共析反應(yīng)在兩個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。合金元素也影響共析點(diǎn)和共晶點(diǎn)的組成。幾乎所有的合金元素都會(huì)降低共析點(diǎn)的碳含量；共晶點(diǎn)有相似的規(guī)律，特別是強(qiáng)碳化物形成元素起著更強(qiáng)的作用。S點(diǎn)和E點(diǎn)的左移改變了合金鋼的平衡結(jié)構(gòu)。
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