【摘要】利用硬度、 冲击和拉伸试验机对两种试验钢4Cr13Si和4Cr13进行了力学性能测试， 分析了硅元素对试验钢在不同热处理温度下的硬度、 韧性和强度的影响。研究表明，含硅的4Cr13Si钢的高温回火硬度高于4Cr13钢， 而且4Cr13Si钢在650℃的硬度仍可达到35HRC左右。由于钢中添加大量的硅元素推迟了马氏体的分解， 4Cr13Si钢的冲击韧性不及4Cr13钢， 尤其在高于530℃的高温回火后二者冲击值差别明显。试验钢的拉伸和屈服强度随回火温度的提高先升高后降低， 含硅的4Cr13Si钢在试验温度范围内拉伸强度和屈服强度均高于4Cr13钢。

关键词：硅；耐蚀塑料模具钢；力学性能；影响

1 引言

耐蚀型塑料模具钢主要以Cr13型马氏体不锈钢为主。由于Cr13型耐蚀塑料模具钢有良好的力学性能、 耐腐蚀性、 抛光性等， 主要应用于含有挥发性腐蚀气体的塑料制品模具上。4Cr13是可淬硬的马氏体不锈钢 [1~2] ， 通过添加合金元素和热处理的方式来优化和改良模具的使用性能。本文在4Cr13钢中添加了1%左右的硅元素， 研究硅在4Cr13钢中的作用及热处理过程中各项力学性能的变化， 该研究结果为模具生产过程中热处理工艺制定提供了一定的依据。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验材料的化学成分如表1所示， 两种材料的冶炼工艺为：电炉冶炼， LF炉外精炼和VD真空脱气， 电渣炉重熔钢锭， WF-540精轧机轧制成材， 成品截面尺寸为90×305mm。

2.2 试验方法

在钢材端面截取15×20×20mm硬度试样， 7×10×55mm 的无缺口冲击试样及 ? 10×120mm 的拉伸试样。利用TH300型洛氏硬度计进行洛氏硬度检测，ZBC-300型冲击试验机测试冲击值， WDW3300型拉伸试验机测试抗拉强度R m 、 屈服强度R p0.2 、 断后伸长率A%、 断面收缩率Z%。

3 试验结果及讨论

3.1 淬火、 回火硬度

试验钢均在970℃～1,110℃温度范围内保温后油冷， 测试试验钢的淬火硬度， 淬火温度与硬度的关系曲线如图1a所示。两种试验钢从970℃~1,050℃随着淬火温度的提高硬度值明显增加， 1,030℃~1,050℃硬度值最高可达53.0HRC以上。从1,050℃开始随淬火温度的升高硬度逐渐降低， 4Cr13钢在1,050℃以后淬火硬度降速相对较快。

选择1,030℃淬火， 对试验钢进行回火处理， 回火温度在200℃～650℃范围内， 每个温度下回火两次。测试不同回火温度下试验钢的硬度变化， 如图1b所示。两种试验钢在200℃～510℃回火硬度随温度的升高， 硬度稍缓下降后又升高。在510℃时硬度达到了峰值， 分别为50HRC和49.9HRC。随温度的继续升高， 试验钢的硬度迅速降低， 从550℃开始4Cr13Si钢硬度降低速度变的缓慢。当温度达到 650℃时，4Cr13Si钢的硬度仍可在35HRC左右， 而4Cr13钢的硬度为30HRC左右， 从硬度变化来看， 硅元素提高了材料的抗回火性能 [3~4] 。

3.2 冲击性能

同样， 采用1,030℃淬火， 在200℃～650℃进行回火， 回火后进行冲击测试， 观察在不同回火温度下两种材料的冲击值变化情况， 如图2所示。在200℃～530℃回火时， 两种材料的冲击值差别不大， 冲击值现缓慢升高再减小， 在 490℃同时达到了最小值。从490℃开始， 随温度的升高， 冲击值急剧升高。从530℃以后两种材料的冲击值显现出较大的差别， 在590℃差值最大， 此时4Cr13比4Cr13Si的冲击值高出44J。4Cr13 钢在不同回火温度下的冲击值均高于4Cr13Si钢， 说明硅元素不同程度降低了钢材的冲击韧性 [5] ， 尤其在高温回火时冲击韧性降低比较明显。

图1 试验钢的硬度随温度的变化曲线

a — —淬火硬度变化 b — —回火硬度变化

图2 试验钢的冲击值随回火温度的变化

图3给出了两个材料在490℃和590℃下的冲击断口形貌。对比来看， 490℃时两种材料的断口上均呈现出沿晶断裂的形貌；在590℃时4Cr13钢的断口上有较多的韧窝， 而4Cr13Si钢的几乎不存在韧窝， 而且有沿晶开裂的形貌存在 [6] 。二者相同的热处理制度下表现出不同的断口形貌， 主要是由于硅元素为非碳化物形成元素， 但能够溶解到ε-FexC中， 使ε-FexC稳定， 减缓了回火过程中碳化物的聚集， 推迟或抑制了马氏体的分解 [7] 。

图3 试验钢在490℃和590℃回火时的冲击断口形貌

a — —4Cr13Si钢490℃回火断口 b — —4Cr13Si钢590℃回火断口

c — —4Cr13钢490℃回火断口 d — —4Cr13钢590℃回火断口

3.3 拉伸性能

图4为试验钢在不同回火温度下的拉伸性能各项指标的变化情况。图4a为拉伸强度随回火温度的变化曲线， 在200℃～510℃时随温度的升高拉伸强度先降低后升高， 在510℃达到了最大值， 4Cr13Si钢最大值为2,023MPa， 4Cr13钢最大值为1,871MPa。随着温度的继续升高， 其拉伸强度迅速下降， 下降的同时二者的强度差值越来越大， 在650℃时4Cr13Si的拉伸强度比4Cr13钢高93MPa。图4b所示为试验钢的屈服强度随回火温度的变化曲线。同样， 在510℃时二者均存在一个峰值， 在峰值左侧随回火温度的提高屈服强度逐渐增加， 在峰值右侧随回火温度的提高屈服强度迅速降低。从570℃开始4Cr13Si钢的降速变缓， 而4Cr13钢降速仍然很快。整体来看， 钢中添加了硅元素可提高抗拉强度和屈服强度。

图4c和图4d所示为试验钢在不同回火温度下的伸长率和断面收缩率的变化曲线。钢材的伸长率和断面收缩率同时反映了钢材的塑性的好坏， 伸长率和断面收缩率越高， 其塑性越好。图 4c 中伸长率在490℃～510℃出现了一个最低值， 此时4Cr13Si钢的伸长率为7%， 4Cr13钢的伸长率为7.5%。在570℃之后4Cr13Si钢伸长率的增幅降低， 在610℃时与4Cr13拉开了较大的差距， 二者最大相差2.5%。图4d中断面收缩率在490℃出现了最低值， 在试验温度范围内4Cr13的断面收缩率均稍高于4Cr13Si钢。

图5a和图5c为4Cr13Si钢和4Cr13钢在510℃的断口形貌， 二者均存在沿晶开裂的形态。图5b和图5d所示为4Cr13Si钢和4Cr13钢在610℃的断口形貌，无沿晶开裂形态， 其中存在大量的韧窝， 韧窝中存在碳化物。主要是由于回火温度的提高， 硬而脆的马氏体开始分解成回火索氏体和碳化物， 韧性增加 [8~9] 。

图4 试验钢不同回火温度下的拉伸性能各项指标变化

a — —拉伸强度 b — —屈服强度 c — —伸长率 d — —断面收缩率

图5 试验钢在510℃和610℃回火时的拉伸断口形貌

a — —4Cr13Si钢510℃回火断口 b — —4Cr13Si钢610℃回火断口

c — —4Cr13钢510℃回火断口 d — —4Cr13钢610℃回火断口

4 结论

（1） 试验钢在不同温度下回火时， 含硅的4Cr13Si钢的高温回火硬度高于4Cr13钢， 4Cr13Si钢在650℃的硬度仍可达到35HRC左右， 钢中添加的硅可提高4Cr13钢的回火抗性。