1、1氮元素对耐蚀塑料模具钢 4Cr16Mo 性能的影响袁森 1 吴晓春 1* 张洪奎 2庄郁健 1（1 上海大学材料科学与工程学院，上海 2000722 宝钢股份特殊钢分公司， 上海 200940）摘要：通过车削试验、浸泡试验和极化曲线, 以及高温热模拟试验研究了氮对4Cr16Mo耐蚀塑料模具钢切削性能、耐腐蚀性能以及锻造性能的影响。研究表明氮元素降低了4Cr16Mo钢的切削性能、耐腐蚀性能和锻造性能，但是两种试验钢的性能差别不是很大，同时降低了成本。通过热模拟试验确定了4Cr16MoN耐蚀塑料模具钢钢的合理锻造参数。关键词：4Cr16Mo耐蚀塑料模具钢，添加N元素，切削性能，锻造工艺Influ
2、ence of Nitrogen on properties of 4Cr16Mo corrosion resistant plastic mold steelYuan sen1,Wu Xiao-chun1,Zhang Hongkui2,Zhuang Yujian1（ 1. Shanghai University, School of Materials Science and Engineering 2. Baosteel Special Steel Branch）Abstract:Effects of addition of nitrogen on the cutting ability,
3、 corrosion resistant and forging ability of corrosion resistant plastic mold steel 4Cr16Mo were presented by means of machining test, corrosion test and thermal simulation test. The results show that the cutting ability, corrosion resistance and forging ability of steel 4Cr16Mo were reduced by the a
4、ddition of nitrogen, but the performance difference between two test steel is not very big, while reducing costs. The reasonable forging parameters of 4Cr16MoN were determined by thermal simulation test.Keywords:4Cr16Mo corrosion resistant plastic mold steel, Nitrogen, cutting ability, Corrosion Res
5、istance 4Cr16Mo马氏体不锈钢经常作为耐腐蚀塑料模具钢来应用，而不锈钢由于韧性大、热强度高、导热系数低等特点而难以加工。目前，主要通过添加易切削元素硫、铅、硒以及碲元素等来提高不锈钢的切削性能 1-2。然而，随着人们环保意识的增强 ,铅、硒、碲等有毒元素在工业生产中将逐渐被限制使用 3。硫元素虽然能够显著提高钢的切削性能 4-6，然而，硫元素在钢中形成的硫化物夹杂会降低钢的耐腐蚀性能, 尤其是抗点蚀性能，因而不适合在不锈钢中使用 7-9，张洪奎、吴晓春等 10向钢中加入铜元素也提高了钢的切削性能。耐腐蚀塑料模具钢是模具钢中的高档产品，目前世界各国均致力于耐腐蚀模具钢的产品开发，瑞典
6、一胜百开发出不锈钢模具钢 S-136、S-136SUPREME 及 168S，具有良好的耐腐蚀性及机械加工性能；奥地利百禄钢厂已研制出高氮耐腐蚀模具钢 M33311-12，具有极佳的韧性和抛光性能。同时还发现在塑料模具钢中增氮不仅此能提材料的强度和耐磨性，1金基资助：本文获得“十一五” 国家科技支撑计划课题：高品质模具钢锻材关键技术开发（2007BAE51B04）和上海市重点学科建设项目资助 (S30107)作者简介：袁森，1985，男，汉，陕西西安人，硕士在读。Tel： 86+15121044729E-mail: yuansen-* 通讯联系人：吴晓春，教授，上海延长路 149 号，上海大学
7、材料科学与工程学院，200072， Tel：86+021-56331461 更重要的是能显著提高钢的耐腐蚀性能。但对含氮钢的加工性能研究较少。因此，本文本文利用车削试验、浸泡试验和极化曲线以及高温热模拟试验研究了添加0.08 %的氮对4Cr16Mo 耐腐蚀模具钢切削性能、耐腐蚀性能以及锻造性能的影响，通过热模拟试验确定了适于含氮4Cr16Mo 钢的锻造参数。1 材料的制备4Cr16MoN 钢采用 1t 中频感应熔炼，对浇注出的钢锭电渣重熔以获得低夹杂物含量、成分均匀、组织致密的电渣锭，电渣锭经过 12001250高温均匀化后多向锻造到加工尺寸，对锻件球化退火以消除锻造过程中的应力，4Cr16M
8、o 钢是宝山钢铁特钢分公司提供的退火态材料，两种钢经过淬火、回火后均达到 48HRC 的使用硬度。两种钢化学成分如表一所示。表一 试验钢化学成分/%C Si Mn Ni Cr Mo P S Nb N4Cr16Mo 0.36 0.39 0.91 0.84 16.4 0.86 0.005 0.005 0.005 0.004Cr16MoN 0.40 0.69 0.64 0.13 16.1 1.10 0.017 0.005 0.09 0.082 试验方法2.1 切削试验车削试样尺寸为 80400mm。刀具材料为 YW1 硬质合金（91HRA ） 。试验时，对每种材料选用一把新的刀具, 固定切削深度 a
9、p=1mm，进给量 f=0.10mm/r，以 110m/min 的切削速度车削 60min，采用 JX13C 型工具显微镜(10) 测量其后刀面磨损高度(VBy) 及后刀面磨损宽度（VBx） 。切削力采用八角环形电阻应变式车削测力仪测量。固定切削速度 v=110m/min 和进给量 f=0.10mm/r，改变切削深度 (ap)，以及固定切削速度 v=110m/min 和切削深度ap=1.0mm，改变进给量(f)，测切削力的变化。2.2 腐蚀试验腐蚀试样均从车削试样余料上取得。浸泡腐蚀试样尺寸为20mm 30mm 4mm。电化学腐蚀试样尺寸为10mm 10mm 5mm，在试样背后焊接铜线作为导电
10、导线，然后利用环氧树脂对试样进行了镶嵌，并将镶嵌试样研磨到600 号砂纸。浸泡腐蚀试验是在5 %的盐酸溶液中进行, 在25 温度下浸泡24h，然后对不同试样的腐蚀速率进行了测量。另外，利用VMP3多通道恒电位仪测量了两种材料的极化曲线，其中，电化学腐蚀溶液为3.5 % 的NaCl 溶液，测量温度为25 ，在开路电位以下-0.2V开始扫描， 扫描速率为0.33mv/s。2.3 高温拉伸试验高温拉伸试样尺寸 10120mm，高温拉伸试验在 Gleeble3500 热模拟试验机上进行。直接加热到拉伸温度，拉伸温度为 8501230；先加热到 1210和 1230，然后分别850、950、1080进行
11、拉伸，拉伸速率为 0.6/S。3 试验结果3.1 切削试验图 1 后刀面磨损宽度 图 2 后刀面磨损长度图 3 切削力随进给量的变化 图 4 切削力随切削深度的变化如图 1 和图 2 所示分别给出了刀具后刀面宽度方向上和磨损长度方向上的磨损量随时间的变化，在磨损宽度方向上，4Cr16MoN 比 4Cr16Mo 磨损要严重，大约是 4Cr16Mo 钢磨损量的两倍，而在磨损长度方向上，4Cr16MoN8 比 4Cr16Mo 磨损稍大一些，但是相差不大，同时从图 2 可以发现，在前 10min 内，刀具在长度方向上磨损较厉害，随着时间的延长，刀具在长度方向上磨损量较少，主要是在宽度方向上磨损量较严重
12、。从刀具后刀面磨损来看，4Cr16Mo 的切削性能要优于 4Cr16MoN。由图 3 和图 4 可以看到，切削力随切削深度基本呈线性变化，而随进给量变化线性关系没有那么明显；切削深度增加一倍，切削力也基本增加一倍；其中 4Cr16Mo 的切削力比4Cr16MoN 小，切削深度对两种钢的切削力影响不大，而进给量对两种钢的切削力影响稍大些。从切削力大小来看，4Cr16Mo 的切削性能要优于 4Cr16MoN。3.2 腐蚀试验图 5 试验钢浸泡腐蚀速率对比图 图 6 试验钢极化曲线对比图图 7（a ）（c）分别是 4Cr16MoN 淬火态下的碳氮化物、衍射花样和 EDAX90（a）（b）（c）（0,
13、-2,0）（0,0,-2）(Cr,Nb)(CN)(Cr,Nb)(CN)图 5 给出了两种材料在 5%盐酸中浸泡 24h 的腐蚀速率对比图，氮元素的加入加快了4Cr16Mo 钢腐蚀速率。从图 6 的极化曲线同时也可以看出，氮元素的加入降低了 4Cr16Mo钢的腐蚀电位。腐蚀结果表明，氮元素的加入并没有提高 4Cr16Mo 钢的腐蚀性能，但是两者腐蚀性能的差距不是很大，从生产钢的成本来考虑，加氮的 4Cr16Mo 钢中大大地降低了Ni 的含量，大大的降低了成本，而其性能却与 4Cr16Mo 钢差距不大。从图 7 可以看出，在 4Cr16MoN 钢回火组织中也有(Cr,Nb)(CN)的析出，而两种试
14、验钢中 C 含量和 Cr 含量基本相同，导致 4Cr16MoN 钢基体中 Cr 含量就会比 4Cr16Mo 钢低，因此 4Cr16MoN 钢的腐蚀性能较差于 4Cr16Mo 钢。3.3 高温拉伸试验图 8（a ）（c）分别是试验钢高温拉伸变形抗力随温度的变化(a) (b)(c)图9（a ）和（b）分别是 4Cr16MoN钢1150和1230拉伸时的晶粒尺寸图图8（a）和（b）是使试样先分别在1210和1230保温10分钟然后再在相应温度下进行拉伸，图8（c ）是使试样直接在相应的温度下进行拉伸。从图8（a）和（b）对比可以看出，在相同温度下拉伸，试验钢先在1210比在1230 保温十分钟的变形
15、抗力稍高一点，同时发现经过此处理后，4Cr16MoN钢的变形抗力比直接在相应温度下的变形抗力要高很多，而4Cr16Mo钢差别不大。试验钢钢随着温度的升高，变形抗力逐渐降低，试验钢估计在1300左右变形抗力为零。从图中还可以看出，试验钢在850950变形抗力急剧降低，因此如果锻造温度低于950，则需要较大的锻造力来克服增大的变形抗力，即4Cr16MoN钢的锻造工艺是先在1210固溶，然后再在锻造温度不低于950进行锻造。随着锻温度的提高，应力虽然降低，但晶粒的长大趋势必然增大，如图9 所示，为了避免锻造过程中过热的出现，始锻温度不能高于1230 。4 讨论试验结果显示氮元素没有提高4Cr16Mo
16、钢的腐蚀性能和切削性能，如表一所示的两种试验钢的化学成分对比看出，它们的C含量和Cr含量基本相同，而4Cr16MoN钢中又含有0.08%N，N元素和 C元素性质相近，易与 Cr结合生产氮化物， 在回火过程中N 会与Cr形成Cr(CN)，导致了基体中 Cr含量的减少，因此才使得 4Cr16MoN钢腐蚀性能稍差于4Cr16Mo钢。4Cr16MoN 钢在 1210保温十分钟相当于在相应温度下固溶十分钟，这样的处理使得钢中铁素体更加完全转变成奥氏体和未溶碳化物、氮化物更好的溶解在奥氏体当中，使得组织更加的单一。锻造工艺经过在 12001210固溶一段时间，然后再在 950以上锻造，就是为了后续热处理提
17、供组织条件。5 结论（1）氮元素的加入降低了4Cr16Mo钢的切削性能。4Cr16MoN 钢对应的刀具的磨损量稍高（a）（b）于4Cr16Mo 钢对应的刀具的磨损量，但是两种钢切削力差别不大，从成本上看，加入氮元素替换4Cr16Mo钢中Ni元素，使得成本大大降低了。（2）氮元素的加入稍降低了4Cr16Mo钢的电极电位，即在盐酸中的腐蚀速率有所提高，从而稍微降低了4Cr16Mo 钢的耐腐蚀性能，但是从生产成本上看，加入但愿是也是可行的。（3）氮元素的加入降低了4Cr16Mo钢的锻造加工性能，对于4Cr16MoN钢的锻造工艺是先在12001210固溶，然后再在锻造温度不低于950进行锻造。参考文献
18、1 Kosa, T. Machining of stainless steelsM. Metals Handbook 9th. ASM International, 1989 , 16 : 681707.2 Xu Ming, Li Liuhe, Liu Youming, et al. Mechanism of mechanical property enhancement in nitrogen and titanium implanted 321 stainless steel J. Materials Science and Engineering A, 2006 , 425 : 16.3
19、 You Seungjae, Choi Yoonseok, Kim Junggu, Oh Hanjun, et al. Stress corrosion cracking properties of environmentally friendly unleaded brasses containing bismuth in Mattssons solution J. Materials Science and Engineering A, 2003, 345:207214.4 Poulachon G, Dessoly M, Calvez C. Le, et al. An investigat
20、ion of the influence of sulphide inclusions on too-wear in high speed milling of tool steelsJ. Wear, 2001, 250:334343.5 吴晓春, 崔昆. 非调质塑料模具钢中易切削相的分析J. 钢铁研究学报. 1997, 9 (6) : 2327.6 娄德春, 崔昆 , 吴晓春. 硫复合系易切钢中夹杂物与易切削机理的研究J. 机械工程材料. 1996, 20 (5) : 2730.7 Brossia C. S, Kelly R. G. Occluded solution chemistry c
21、ontrol and the role of alloy sulfur on the initiation of crevice corrosion in type 304ss J. Corrosion Science, 1998,40:18511871.8 岳丽杰, 王龙妹, 徐成海等. Cu-P 耐候钢中稀土对夹杂物和耐蚀性的影响J. 东北大学学报. 2004,25 (12) : 117911829 王建民, 陈学群, 李国民等. 低合金船体钢点蚀敏感性的研究J. 海军工程大学学报. 2003,15 (5) : 9196.10张洪奎, 吴晓春, 耿洪明. 铜元素对耐腐蚀模具钢4Cr16Mo
22、性能的影响J. 上海金属. 2008,30(2):101311 Reinhold Schneider1, Klaus Sammt, Roland Rabitsch, Michael Haspel. Heat Treatment and Properties of Nitrogen Alloyed, Martensitic,Corrosion-resistant SteelsJ. Transactions of Materials and Heat Treatment Proceedings of the 14 th Ifhtse CongressA, 2004, 25 (5) : 582-58712 J. Perko, C. Redl, H. Leitner, Influence of heat treatment on the microstructure and toughness of BHLER M333 isoplast steelJ. la metallurgia italiana, 2009, 4 : 1-5
