文 /Gerhard Jesner·BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG Stefan Marsoner·Materials Center Leoben Forschung Gmbh

张维，刘权，李志仁·编译

本文着重论述了在最高测试温度为300℃的条件下，两种不同型号的粉末冶金工模具钢的机械性能。并演示了其在不同的载荷条件下，静态和循环单向拉伸试验。通过研究PM-M3类的粉末冶金高速钢，以及一种具有不同金相组织的新型粉末冶金冷作钢，来确认金相组织对钢材机械性能带来的影响。同时展示了它们在静态和循环条件下的单向拉伸测试结果，以及在不同的温况下，金相组织对材料机械性能的影响。通过试验，论述了它们在冷锻成形中可能出现的结果。

背景介绍

冷锻成形是最高效的零件终成形和近终成形的生产方式之一。冷锻模具的载荷条件通常十分复杂且多样，从模具表面贯穿到模具内部。在冷锻成形过程中，冷锻模具会周期性地受到极高的机械载荷。

在冷锻模具受力的单位周期内，其受到的压强通常远远高于其屈服强度。这会导致模具局部产生塑性变形，出现早期疲劳裂纹，并随着疲劳裂纹的萌生和扩展，最终导致模具报废。一般来说，冷锻模具的使用寿命在10,000模次以内。使用寿命较低的冷锻模具，通常表现为在压力集中的区域出现开裂，比如模具的型腔中出现缺口。这些信号说明材料的失效是由低周疲劳(LCF)造成的。正是因为需要具备多种机械性能，冷锻模具会经常使用高性能粉末冶金工模具钢。

通过相关著作记载，我们已经熟知粉末冶金的工模具钢和高速钢在室温条件下的各项机械性能，例如它们经常规工艺热处理后的硬度、强度或韧性。它们的疲劳性能和疲劳裂纹扩展方式在文献中也有记载，然而针对这些高合金粉末冶金钢材的低周疲劳特性(LCF)，却较少为人所知。

在冷锻成形的工艺中，模具除了要承受极高的机械载荷外，其所处的环境温度可能接近300℃。随着锻压零件的热传递，锻压模具的温度梯度也会相应升高。这类模具的稳态环境温度取决于它加工什么材料和变形量，以及模具和被加工材料之间产生的摩擦力。

实验

下文展示了两种不同高强度、高性能粉末冶金钢材的力学性能测试结果。

表1为两种钢材的化学成分。

从表中可以看出：被研究材料的化学成分主要区别在铬、钨，钼和铌元素的含量。它们在碳、硅、锰、钒元素上的差别不大。

表1 被研究材料的化学成分（%）

被研究材料的热处理工艺由淬火和多次回火完成，并将两种型号钢材的热处理硬度控制在62±0.3HRC范围内。K490 MICROCLEAN的奥氏体化温度(1030～1080℃)远低于PM-M3类钢材的温度(通常为1100～1200℃)。这种较低的奥氏体化温度，正是D2类冷作钢，以及传统冶炼或电渣重熔冶炼的8%铬钢典型的淬火温度区间。K490 MICROCLEAN热处理后最高的硬度值为64HRC。

图1呈现了这两种钢材淬火并回火后的金相组织。K490 MICROCLEAN和PM-M3两种材料的金相组织均由回火马氏体和颗粒状的合金碳化物组成。两种材料中，各类型的碳化物的体积分数都在约10%。这里可以观察到，和PM-M3相比，K490 MICROCLEAN中碳化物的平均尺寸明显更小。

这些高性能的钢材需要通过多轴铣削方式加工，这给理论研究和实际生产带来很大的挑战，同时也是非常引人关注的话题。由于这些钢材具有高硬度、高韧性、以及高抗压强度等材料性能，因而可以承受更高的机械载荷。

通过研究K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速铣加工上的表现证明：它们的差异在金相组织上。K490 MICROCLEAN中更小尺寸的碳化物，能够减少对刀具的磨损，进而提高切削刀具的使用寿命。图2对比了K490 MICROCLEAN和PM-M3在高速铣加工上的表现。

图1 研究材料热处理后的金相组织

图2 两种研究材料在不同状态下切削刀具后刀面的磨损情况

试验

单向抗压测试和单向拉伸测试是鉴定材料静态性能最权威的方式。这类测试特有的好处在于，它们可以分别检测出材料的变形量和强度值。待定试样如图3所示，为了认定这些高性能粉末钢的材料性能参数，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度以及断裂延伸率，我们采用特定几何形状试样，对其进行拉伸测试（室温）和抗压测试（室温和最高温度为300℃的条件下）。

为了认定材料的循环性能，我们采用和静态测试中相同的试样，在室温条件下以不同的载荷对其进行应变控制的低周疲劳测试。所有的测试都在安置了特殊液压夹具的电液伺服疲劳测试机上完成，其载荷数值通过最高精度的无接触式激光计量仪测出。为了完成在温度梯度下的检测，还用到了感应加热装置。

图3 用于检测材料静态和循坏性能的特定试样

测试结果

以下展示的是K490 MICROCLEAN和PM-M3静态和循环测试的结果，图4和图5为K490 MICROCLEAN和PM-M3的应力应变表现。

通过图4中应力应变曲线（拉伸测试）对比可以看出，K490 MICROCLEAN的屈服强度和极限抗拉强度比PM-M3略低少许，它的塑韧性表现明显高于PM-M3类的钢材，这使它可以有效地抵抗开裂。K490 MICROCLEAN和PM-M3在相近的硬度水平下，还能具备更高塑韧性的主要原因是：它的碳化物尺寸更加均匀细小。

图4 静态拉伸测试下，两种研究材料的应力应变曲线

图5对比了两种材料在室温（RT）和最高温度为300℃的条件下，静态性能的测试结果。表2是它们在各测试温度下的抗压屈服强度。结果显示，温度对两种被研究的材料都造成了较大的影响。

图5 抗压测试下，两种研究材料的应力应变曲线

表2 两种测试材料的抗压屈服强度

表2是在各测试温度条件下，两种测试材料的抗压屈服强度。

图6为K490 MICROCLEAN和PM-M3在硬度值同为62HRC的情况下，其循环的应力应变表现，并标明了其不同的应变系数Rε和总的应变幅度。式(1)为Rε的计算公式。

尽管这两种粉末冶金工具钢的金相组织大不相同，但它们在应变控制测试下所表现出的循环性能接近。

图7是硬度值同为62HRC的K490 MICROCLEAN和PM-M3类钢材，其在应变系数Rε为-1和-5的条件下，其静态和循环应力应变曲线的比较。为确认出它们循环应力应变曲线，我们在测试时间进行到一半的时候，测定它们的压力和应变幅度。从图7可以看到，两种被研究材料的曲线非常相近，特别是在应变系数Rε为-1和-5时，它们周期性的软化也几乎相当。

图6 室温下，两种钢材根据不同的应变系数的循环应力应变表现

图7 不同应变系数下静态和循环的应力应变表现(static stress-strain curve:静态下的应力应变曲线；cyclic stress-strain curve：循环/周期性的应力应变曲线)

结论

⑴我们研究了温度和载荷条件对两种冷作应用钢材的静态和循环性能造成的影响。通过比较粉末冶金工具钢K490 MICROCLEAN和PM-M3类高速钢表明：它们的金相组织虽然不同，但它们静态和循环性能的表现比较接近。

⑵检测表明：两种材料从室温升温到最高300℃的过程中，它们的静态抗压屈服强度的降幅比较相似，最大为15%。在最高温度不超过300℃的测试中，材料屈服强度的降幅明显。这可能归因于高位错密度的淬火和回火组织。并由于热激活的过程，使得材料高位错的变化愈发容易，从而导致其屈服强度降低。

⑶室温中，两种材料在相同硬度和应变系数的条件下，即使它们的金相组织完全不同，但其表现出的循环性能相当。这意味着在有复杂循环载荷的冷锻应用中，两种材料的软化性能接近。冷锻模具的高机械载荷，通常取决于模具钢在室温条件下的机械性能（硬度水平）。在设计这类模具的过程中，应考虑即使在较低温度的条件下，模具钢的屈服强度也会明显下降。

⑷K490 MICROCLEAN和PM-M3类高速钢的静态和循环机械性能表现十分接近。鉴于K490 MICROCLEAN中昂贵合金元素的含量更低，热处理工艺更常规，以及其出色的高速铣加工性能，因此在62～64 HRC这个硬度范围内，K490 MICROCLEAN会比PM-M3类的材料或其他类似的粉末冶金高速钢更有优势。