Si对淬透性的影响

Si对淬透性的影响
提高钢淬透性的方法之一是在钢中加入一定量的Si。

尽管许多合金元素都可提高淬透性，但其中Si成本低廉，作用显著。

为了研究Si的作用，设计了不同含Si量的对比钢种Y82及S82钢。

这两种钢的C、Mn、B含量相同，而Si含量不同。

S82钢含0.5％Si，而Y82钢含1.1％Si。

图2与图3分别是它们的CCT 曲线。

与S82钢相比，Y82钢CCT曲线的高温转变区左移，而贝氏体转变区向右下方移动。

由图2可见，在中温转变区过冷奥氏体很稳定，此区（称为河湾）的扩大有两个作用：①使贝氏体转变发生在较低温度，形成细小的针状下贝氏体；
②能够在较大的温度范围内形成下贝氏体，对于大尺寸的模具，即使其内外冷速不同，都会得到下贝氏体组织。

Si使CCT曲线的高温转变区左移的原因是由于在高温区Si使碳在奥氏体中的活度增大，提高了碳在奥氏体中的扩散速度，因此使铁素体容易形成。

在中温转变区片状铁素体的长大则由片条宽面上存在的小台阶或扭折的侧向迁移完成〔8，9〕，小台阶或扭折的阶面具有非共格属性，在台阶阶面的迁移过程中，大量碳原子向界面附近的基体奥氏体中扩散，当界面处碳原子富集到一定程度后，铁素体的长大停止，由于此时界面处富碳，而且非共格的台阶阶面可提供额外形核驱动力，因而碳化物将在界面处形核，然后向奥氏体中长大。

由此可见，贝氏体相变过程的实质是贝氏体铁素体和贝氏体碳化物竞相形核长大的过程〔10～12〕。

由于Si是非碳化物形成元素，几乎不溶于碳化物，因而碳化物在台阶阶面形核前，首先必须预先完成Si由界面附近向奥氏体或铁素体内迁移，而Si是一种置换型原子，在低温下这种置换型原子的扩散速度相当慢，从而使碳化物形核长大速度减慢。

铁素体的形成是依赖于碳化物的，碳化物在界面附近形成后，降低界面附近碳浓度，促进铁素体的形成。

由此可见，Si使贝氏体铁素体片条长大速度减慢，从而导致贝氏体相变孕育期增长。

对于淬透性试验一般以获得下贝氏体／马氏体复相组织时的最大试样直径来表示。

图4是直径为120mm，长度为300mm的圆棒的横截面上由表面至中心的硬度分布曲线，其中心硬度可达52HRC。

可见由于合理的成分设计，Y82钢具有高的空冷淬透性，较大的尺寸也可以空冷淬透，这样可使大模具型腔内具有较高的强度，防止早期变形失效，提高寿命。

在贝氏体／马氏体复相组织中，影响强韧性的主要因素是贝氏体的种类及所占体积分数，如果复相组织是由针状下贝氏体和马氏体所组成，而且下贝氏体体积分数占25％～30％时，此类组织具有良好的强韧性配合〔13〕，如果出现较多的粒状贝氏体，则韧性下降。

Y82及S82钢是中碳钢，因为S82的淬透性低，钢中易出现部分中碳粒状贝氏体，如图5所示。

经证明，粒状贝氏体是由铁素体及“马氏体＋奥氏体”岛（简称为M／A小岛）组成，对于这类组织已经进行了大量的研究〔14〕，由于M ／A小岛的强度高，它和周围铁素体基体强度相差较大，基体中的位错运动易在小岛界面上塞积，引起应力集中，使得沿小岛界面开裂而形成裂纹源，因而韧性低，所以要避免粒状贝氏体的出现。

如果在贝氏体和马氏体复相组织中，贝氏体主要是针状下贝氏体，此类组织具有良好的强韧性配合。

因为先形成的下贝氏体针分割原奥氏体晶粒，从而使随后低温形成的马氏体细化，显著减小裂纹扩展单元，裂纹扩展途径曲折，提高了复相组织的韧性。

3.2 S与Ca对切削加工及抛光研磨性能的影响
S与Mn在Y82钢中形成非金属夹杂物MnS，它们使切屑易于折断，因而提高了切削加工性能，而且MnS具有润滑作用，其本身硬度低（约190HV），它能减少对刀具的磨损。

但是在锻造或轧制过程中这些夹杂物沿轧向成条状分布，增加钢材的各向异性，因而会降低钢的横向塑性及韧性。

Ca加入钢中后对夹杂物具有一种变质作用，提高了切削加工性能。

研究表明〔6〕，钢中添加Ca后，一方面Ca同S的亲和力高于Mn，一部分Ca形成了稳定CaS，它固溶在MnS中提高了MnS的强度，使MnS不易变形。

另一方面形成了2CaO.Al2O3.SiO2，它可使条状分布的MnS变为纺锤状或球状。

图6为条状MnS在SEM下的形态，图7为加入Ca经变质后呈纺锤状的夹杂物形态，而图8及图9分别是它们的能谱曲线。

如图8中条状分布的夹杂物的能谱曲线中不含Ca，说明这是单一的硫化物相。

而图9所示的夹杂物的能谱曲线中含有Ca，因而可知夹杂物形态由条状改变为纺锤状是由于Ca的变质作用。

研磨过程实际上也是一个切削过程，抛光粉就是切削工具。

钢的抛光性能与硬度及夹杂物有关。

如硬度太低，不利于抛光，一般塑料模具钢硬度低(＜25HRC)，因而抛光性能差。

而且由于耐磨性低，表面光洁度不能长期保持。

如钢中的夹杂物产生堆积，抛光时夹杂物脱落，易形成麻坑，使表面光洁度降低。

Y82钢钢中的夹杂物细小、弥散、均匀分布，不产生堆积，具有良好的抛光研磨性能。

Y82钢的硬度约为35～40HRC时，用氧化铬抛光后，具有很高的表面光洁度，测量其表面粗糙度Ra约为0.02μm。