芯棒因其工作條件苛刻,而應(yīng)選用高級的熱作模具鋼制作,例如國外連軋管機(jī)浮動芯棒常采用H11鋼,其限動芯棒常采用H13鋼。探討芯棒的選材原則,重點(diǎn)考慮的是材料的抗熱磨損性和耐熱疲勞性。
抗熱磨損性
熱作模具鋼的抗熱磨損性一般與材料的紅硬性關(guān)系密切,因而在芯捧選材上應(yīng)首先考慮高溫硬度指標(biāo)。以磨粒磨損而言,可根據(jù)工具磨損面亞表層上有無塑變及塑變程度來確認(rèn)工具的耐磨性。由于材料的耐磨性與韌性往往是互相矛盾的,因此選材時應(yīng)特別注意碳化物的形態(tài)、數(shù)量及尺寸等特征,以兼顧綜合性能。通常,在碳化物越細(xì)、越彌散,且呈球形時,越有利于改善材料的韌性,同時這種碳化物會增強(qiáng)基體的抗磨性。
但是,材料硬度不能用來預(yù)測粘著磨損。一般認(rèn)為,工具與被加工材料的組織越相近,就越容易發(fā)生粘著磨損,并且組織呈單相勻質(zhì)結(jié)構(gòu)的,也容易發(fā)生粘著磨損。
耐軟化性
耐軟化性是材料在工作溫度下保持不軟化時間長短的能力。材料軟化后,其強(qiáng)韌性下降,這不僅影響材料的耐磨性,還容易發(fā)生疲勞。生產(chǎn)現(xiàn)場測試表明,芯棒在無潤滑條件下及冷卻不良時,其表面溫度有時超過600℃,一般情況下在400℃左右,故必須考慮芯棒材料的耐軟化性。
由于芯棒的耐軟化性取決于材料特性、使用溫度和使用次數(shù)等因素,因此,芯棒必須選用在接近使用溫度下回火而能獲得良好回火穩(wěn)定性的材料;或者選用可在使用溫度下進(jìn)行自然回火并能滿足工況要求的材料。為此,芯棒材料應(yīng)具有較高的抗再結(jié)晶軟化特性和抗碳化物粗化特性。對于前者,按作用大小的順序,采用合金化的原則是Mo>Cr>Mn>Si>Ni。
耐熱疲勞性
材料的耐熱疲勞性通常稱為耐熱沖擊性(有時也稱為耐熱裂性)。工具發(fā)生熱疲勞后,先是沿原始晶界產(chǎn)生不連續(xù)網(wǎng)狀裂紋,然后該網(wǎng)狀裂紋不斷長大,并且在一定方向上加深。當(dāng)工具受反復(fù)彎曲應(yīng)力時,可發(fā)展成環(huán)裂;當(dāng)工具承受旋轉(zhuǎn)拉壓應(yīng)力時,可發(fā)展成縱裂。
由于工具在工作中反復(fù)被加熱和冷卻,表層金屬在交變熱應(yīng)力作用下發(fā)生塑變,最終導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展,當(dāng)熱應(yīng)力大于工具在使用溫度下的斷裂強(qiáng)度時,即會發(fā)生表層開裂。
抗氧化性
抗氧化性是體現(xiàn)材料自身高溫保護(hù)能力的重要特性。采用抗氧化性好的材料可在工具表面形成一層致密而穩(wěn)定的保護(hù)性氧化膜,從而起到隔熱和潤滑作用,有利于提高工具的使用壽命。氧化膜的熔點(diǎn)越高,強(qiáng)度越高,越不易被剝離,則工具的耐磨性越好。由此,在工具選材時應(yīng)注意選用含有有助于形成再生保護(hù)性氧化膜的合金元素(Al,Cr,Ta,Nb,W等)的材料。
根據(jù)Pilling-Bedworth法則,保護(hù)性氧化膜與其克分子容積大小有關(guān),當(dāng)氧化膜的克分子容積大于金屬的克分子容積時,氧化膜才是保護(hù)性的,否則便是多孔性的(龜裂性的)。按該法則測定的結(jié)果表明,各種元素抗氧化性大小的順序是:Mo,W,Mn,Cr,Co,Fe(1價氧化物),Ni,Cu,Al,這些元素的摩爾容積比均大于1。當(dāng)兩種以上元素聯(lián)合使用,組成合金或加入鋼中時,其抗氧化性的情況將變得非常復(fù)雜,這與材料的具體成分和最終組織有關(guān),并且主要取決于固溶體中各元素的含量。在形成氧化膜時,這些元素互相制約,并影響最終氧化膜的結(jié)構(gòu)。氧化膜的耐剝離性主要取決于膜本身的彈性模量、工作溫度以及膜與基體的平均線脹系數(shù)之差。應(yīng)設(shè)法使氧化膜與基體的線脹系數(shù)相接近,這是提高氧化膜抗剝離性的基本原則。例如Fe-Fe2O3,Fe-FeO,Ni-NiO,Co-CoO,Co-Co3O4,Cr-Cr2O3等在0～1000℃間的αm/αo(αm為溫差間金屬的平均線脹系數(shù),αo為溫差間氧化膜的平均線脹系數(shù)）均小于114。Ni有促進(jìn)內(nèi)氧化的作用,即NiO在復(fù)合氧化膜中不穩(wěn)定,分解后可形成NiCr2O4,NiAl2O4,Ni(Cr,Al)2O4或Ni+Fe3O4。Ni因有這種特殊作用而受到人們的重視。
致密的氧化膜可以減輕熱應(yīng)力的不均勻分布,故能提高抗剝離性。另外,氧化膜不宜過硬,否則會因其脫落而造成磨粒磨損。氧化膜的硬度應(yīng)稍高于金屬本身的硬度,這樣氧化膜才能起到有效的保護(hù)作用。對于鋼鐵材料,由于Fe3O4比α-Fe2O3有較強(qiáng)的保護(hù)作用,因此可使用Ca(OH)2之類的固體潤滑劑,以促進(jìn)摩擦表面生成Fe3O4。此外,增加Si有利于氧化膜表面形成非晶態(tài)層,從而減輕磨損。為了使氧化膜與鋼的硬度比值接近1,鋼的最低維氏硬度應(yīng)達(dá)到400左右。
（來源：包鋼科技）
