安徽鑫宏机械有限公司 安徽淮南 232001
摘要：合金钢可用于制造各种形状复杂的冷挤压模和冲裁模，具有较高的淬透性，淬火和低温回火后具有较高的硬度和耐磨性。目前，关于高温冲击磨料磨损工况用耐热耐磨钢的研究报道很少，尚缺乏专门用于高温冲击磨料磨损工况的耐热耐磨合金钢。耐热耐磨合金钢研究开发已列入行业高级研发项目，研发用于高温冲击磨料磨损工况的耐热耐磨合金钢具有工业应用和学术价值。基于此，文章重点就合金钢的显微组织及抗高温氧化性能的进行了研究和分析。
关键词：合金钢;显微组织;抗高温氧化性能
合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。
一、合金钢的铸态组织
合金钢的铸态组织为奥氏体+碳化物，铸态碳化物成孤岛状、块状和针状分布在晶内和晶界。当含镍量一定时，随着含碳量的增加，合金钢组织中的碳化物数量和颗粒尺寸呈递增趋势，这是由于合金钢中有大量的铬和锰元素，铬和锰元素是碳化物形成元素，随着含碳量的增加，则容易形成碳化物。这说明含镍量的增加，提高奥氏体的稳定性，抑制铸态碳化物析出，同时析出碳化物尺寸也减小。合金钢1050℃水淬固溶处理后的基体组织仍然是奥氏体，但在晶界上析出了大量的孤岛状，块状及针状的碳化物组织。通过与铸态组织的对比发现，经过1050℃水淬固溶处理后的组织中有少量未溶碳化物，呈较大块孤岛状分布在晶界上，而其余小颗粒碳化物均为析出碳化物。由于合金钢中含有大量的铬、锰元素，特别是较强碳化物形成元素铬，借助于较高的铬碳比，容易形成结合强度较高的M7C3或M23C6。型碳化物。而在1050℃保温的过程中，由于保温温度不够高，只能溶解一部分铸态碳化物，且合金成分扩散和均匀化不够，基体中固溶合金成分有限，导致大量的碳化物析出。
二、热处理合金钢的冲击韧性
铸态、1050℃水淬固溶处理、1100℃水淬固溶处理合金钢的冲击吸收能变化趋势基本一致，呈波浪线型波动。但经过1100℃水淬固溶处理合金钢的冲击吸收能量明显高于铸态和1050℃水淬固溶处理合金钢，这是因为经过1100℃水淬固溶处理后，合金钢的组织成分更加均匀，碳化物相对较少，因而冲击韧性较高。多数铸态合金钢冲击韧性高于1050℃水淬固溶处理钢，是由于水淬固溶处理温度1 050℃不够高，合金钢成分还较不均匀，析出的碳化物增多，导致冲击韧性降低。经过1100℃水淬固溶处理的合金钢，1号和2号合金钢含碳量较低，组织中碳化物较少，因而韧性较好。其中2号合金钢含有镍元素，进一步稳定奥氏体，能抑制碳化物析出，因此2号合金钢冲击韧性更高，冲击吸收能量为138J;经过l100℃水淬固溶处理的合金钢，3号、4号和5号合金钢含镍量基本相当，随着含碳量的增加，碳和合金元素形成的碳化物增多，合金钢冲击韧性明显下降。其中3号合金钢碳和镍匹配较好，冲击韧性明显高于4号和5号合金钢。试验研究表明，含碳0.225%～0.306%的合金钢经l100℃水淬固溶处理后冲击韧性较高，冲击吸收能量为130～138J。
三、合金钢的抗高温氧化性能
取含碳量为0.306%，含镍量为4.11%的3号合金钢进行抗高温氧化性能试验，试验结果可知，在900℃高温中经过20 h和40 h的保温，1100℃水淬固溶处理合金钢的氧化增重较少，即抗高温氧化性能较好。而在经过60 h、80 h、100 h的保温后，铸态合金钢的氧化增重较少，抗高温氧化性能较好。
在整个抗高温氧化性能试验中，l 050℃水淬固溶处理合金钢的抗高温氧化性能较差。合金钢中合金元素的含量较高，1 050℃的热处理温度不能使组织中的合金元素均匀溶解在基体中，而且在水淬过程中析出了大量的碳化物，相当于基体中的含铬量下降。铬元素的一个重要的作用是形成氧化铬，具有非常优秀的抗氧化性能，当含铬量降低了，合金钢的抗高温氧化性能也下降了。经过1100℃水淬固溶处理的合金钢，成分比较均匀，但在900℃的高温抗氧化试验中，相当于将试块重新进行升温和保温热处理，特别是较长时间的保温导致了碳化物的重新析出，基体中的铬元素下降，合金钢抗高温氧化性能下降;而对于铸态合金钢，因其碳化物数量较少，基体中含有较多的铬元素，提高了抗高温氧化性能，且随着保温时间的延长，铸态合金钢的抗高温氧化性能相对于l 100℃水淬固溶处理钢的优势越来越明显。
四、合金钢WCrMo在耐材模具中的应用
1.合金钢WCrMo在耐材模具中的应用原则
合金钢WCrMo最主要的原则是选材应用问题。耐材模具应用方面比较广，在不同应用条件下对模具材料的要求也有所不同。因此，目前可用于耐材模具的材料主要包括碳钢、高合金钢Cr12MoV和合金钢WCrMo。其中，碳钢在生产成本在最占优势，特别是A3钢，不仅制造简单，成本低廉，而且在加工的过程中还不需要考虑退火的问题。但碳钢使用寿命比较短。高合金钢Cr12MoV在使用寿命上比碳钢有明显的优势，而且在硬度和耐磨度方面都有很大幅度的提升。但是高合金钢Cr12MoV加工难度比较大，生产成本偏高。
相形之下，合金钢WCrMo在保持了高合金钢Cr12Mov的高使用寿命和高硬度等特点的同时，不仅具有更好的高温稳定性，而在还有高温下加工难度大幅度降低的优点。在高温处理后，合金钢WCrMo可以进行车、钻等多重机械加工。不过需要注意的是合金钢WCrMo耐冲击的性能比较差。如果加工方法不合适，使用中容易出现断裂的问题。这也是目前制约合金钢WCrMo应用的最主要的因素。
2.合金钢WCrMo应用方法简析
根据合金钢WCrMo的高温稳定性和冲击韧性差等问题的综合研究，目前在合金钢WCrMo的应用加工方面主要有两种方法，分别是冷压加工方法和热装加工方法。
冷压加工是在室温下加工的一种生产方式，对加工环境的依赖性比较小。不过由于合金钢WCrMo内部金属元素构成等因素的限制，其在室温下的加工很容易出现断裂等问题。因此，冷压加工在生产的过程中对加工机械的要求极高。特别是在锥度控制方面，必须依赖数控机床等机械才能实现比较好的加工效果。所以目前该类加工方法采用较少。
结语：综上所述，合金钢的铸态和热处理态组织均为奥氏体+碳化物。随着含碳量的增加，合金钢的碳化物数量增多。随着含镍量的增加，奥氏体稳定性提高，合金钢的碳化物数量减少：1100℃水淬固溶处理合金钢的碳化物数量明显少于l 050℃水淬因溶处理合金钢。l100℃水淬固溶处理合金钢的冲击韧性高于铸态和1 050℃水淬阎溶处理合金钢。含碳0.225%～0.306%的合金钢经1 100℃水淬固溶处理后冲击韧性较高，冲击吸收功130～138J。碳化物数量是影响合金钢冲击韧性的重要因素。铸态合金钢的抗高温氧化性能高于1100℃水淬固溶处理合金钢，两者抗高温氧化性能均高于l050℃水淬固溶处理合金钢。基体含铬量是影响合金钢抗高温氧化性能的重要因素。
参考文献：
[1]李卫.钢铁耐磨材料技术进展[J]，铸造，2013
[2]邓想.抗磨耐热钢组织及性能的研究[J]，企业文化，2014
基金项目：安徽省重点研究与开发计划——对外科技合作（1804b06020362）