热锻模堆焊用铁基合金RMD248热物理性能参数预测

滕树满

（广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州 545002）

1 引言

模具是工业之母，如何提高大型、重载热锻模具的服役寿命成为当下的研究重点[1]。为解决中、大型热锻模具服役时应力场、温度场分布差异较大的局限，提升模具的寿命，研究者提出了热锻模具电弧增材分层差异化制造的思路，将铁基合金、钴基合金、镍基高温合金等按模具性能需求堆焊于不同区域，实现了热锻模具性能的“按需分配”[2]。

由于高强度、高韧性等优势，铁基合金RMD248被广泛应用于模座等需要较高强度及韧性部位的堆焊制造[3]。但受限于实物实验成本较高等因素，该合金的热物理性能参数数据库仍不丰富，阻碍了工艺的进一步优化。而应用材料热力学计算软件Jmatpro可实现该合金的热物理性能参数计算预测，丰富合金热物理性能数据库，为该合金堆焊工艺优化提供基础性指导[4]。本文基于热力学软件JMatPro 7.0软件对RMD248合金的热物理性能参数进行了预测，获得了该铁基合金在不同温度下的密度、比热容、热导率、线膨胀系数、泊松比，杨氏模量等参数，并对该铁基合金的平衡相图等进行模拟分析，为合金的堆焊及焊后热处理工艺优化提供基础材料参数。

2 合金化学成分及平衡相计算

铁基合金RMD248由重庆杰品科技股份公司提供，其成分如表1所示。将化学成分输入JMatPro软件将根据热力学原理算计算自动绘制RMD248合金的从0～1,600℃平衡相图，如图1、图2所示。根据铁基合金RMD248的平衡相图可知，相图共有9个相区，主要为液相区、奥氏体区和铁素体区。该铁基合金的奥氏体化临界温度Ac1=617.36℃，Ac3=782.31℃。当加热温度达到1,477.85℃时铁基合金完全熔化至液态，即液相线温度；由液相线温度降温1,404.92℃时，铁基合金发生完全固液相变转变为单相奥氏体。

表1 铁基焊材RMD248的化学成分（质量分数/%）

为了研究该合金在室温下的相组成，将图1的平衡相图左下角进行局部放大，得到如图2所示的铁基合金RMD248在室温下的平衡相图。据此可得，该合金在室温下的相组成及组成含量分别为：铁素体87.01%、M23C64.86%、Laves相3.1%、G相（一种关于Mn、Ni、Si、Cr等一类的金属间化合物）2.9%、奥氏体2.04%、M3P0.0785%、MNS0.0109%。

图1 铁基合金RMD248在0～1,600℃平衡相图平衡相图

图2 铁基合金RMD248在中低温下的平衡相图

3 合金热物理性能计算与分析

根据合金的化学成分计算合金在不同温度下的性能，如图3～图6所示。

图3 合金密度随温度变化关系图

图4 合金比热容随温度变化关系图

图6 合金泊松比随温度变化关系图

根据热力学计算结果，铁基合金RMD248的密度和杨氏模量与温度呈负相关关系，在室温时分别达到最大值7.82g/cm3与213.63GPa，而当铁合金熔化后两数值均显著降低。而铁合金的热导率与泊松比与温度均呈现正相关的趋势，在室温时两物理量均有极小值，分别为18.61W/（m·K）与0.2886。此外，合金的4个物理量的变化趋势均在610℃～800℃范围内发生了波动，这是由于在该温度范围内铁基合金RMD248中铁素体发生较大程度的相变转变为奥氏体，使材料的热物理属性产生显著变化。

4 合金的CCT曲线热力学计算及分析

使用JMatPro软件计算得到如图7所示的铁基合金RMD248的CCT曲线，该曲线对合金的电弧增材和焊后热处理工艺都具有重要的指导意义[5]。根据CCT图可以看出，马氏体开始转变温度（Ms）为242.1℃，转变至50%马氏体和90%马氏体时温度为199.72℃和107.59℃;贝氏体（B）转变温度为316.66℃;珠光体（P）转变温度为592.8℃。考虑到该合金主要应用于热锻模具的电弧增材制造，应保证一定的硬度，在焊后冷却时的冷却速度不应低于10℃/s。

图7 铁基合金RMD248的CCT曲线

5 结论

基于软件JMatPro7.0对铁基合金RMD24的热物理性能进行了热力学计算与分析，获得了该铁基合金的平衡相图，CCT曲线等基础材料参数，以期为该合金的电弧增材及焊后热处理工艺提供指导，结果如下：

（1）铁基合金RMD248室温时平衡组织为铁素体+M23C6相+Laves相+G相+奥氏体+M3P+MNS。

（2）铁基合金RMD248的热物理性质参数中，密度与杨氏模量与温度呈现负相关趋势，而比热容与泊松比随温度呈正相关趋势。

（3）根据铁基合金RMD248的CCT相图计算，合金的冷却速度大于10℃/S时有马氏体相析出，马氏体开始转变温度（Ms）为242.1℃，转变至50%马氏体和90%马氏体时温度为199.72℃和107.59℃;贝氏体（B）转变温度为316.66℃；珠光体（P）转变温度为592.8℃。