【正文】 并具有淬透性 高 、尺寸穩(wěn)定性 強(qiáng)及加工性好 的特點 ， 在鋁、鋅壓鑄 模具方面應(yīng)用最為廣泛。 DAC55 是在 SKD61 的基礎(chǔ)上改良而成 的， 添加了能提高模具的抗疲勞性和韌性的鉻元素 ， 保留了 SKD61 的優(yōu)點 ， 并且得到了更好的耐熱裂紋性 ， 適合大型 、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、 精密 、 長壽命要求的高性能壓鑄模、擠壓模等 。 H13（ 4Cr5MoSiV1）鋼 作為一種馬氏體型熱作模具鋼 ,具有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能 ,中等的抗回火軟化能力和耐熔損性等綜合性能 ,屬中耐熱韌性鋼 ,是一種比較理想的熱作模具用鋼 ，該鋼使用面較廣 。 主要適用于鋁合金熱擠壓模具、壓鑄模具、模鍛錘鍛模、壓力機(jī)鍛模等，在銅合金鍛造模具上也可適當(dāng)使用 。它是國內(nèi) 3Cr2W8V 模具鋼的主要替代產(chǎn)品。 H13 鋼退火后的組織主要為珠光體和少量的未溶碳化物 ,碳化物的類型主要是 M23C6 和 M6C。經(jīng) 880～ 900℃退火后 ,一般硬度為 207～229HBS,加工性能比較好。但由于鋼的含鉻量比較高 , 不太利于切削 [12]。 除此以外，高韌性熱作模具鋼常用的鋼種還包括 5CrNiMo 、4CrMnSiMoV 、 3Cr2MoWVNi 鋼 等；高熱強(qiáng)性熱作模具鋼還包括5Cr4W5Mo2V、 5Cr4Mo3SiMnVAl鋼 ，試用較好的有 4CrMo2NiVNb、奧氏體耐熱鋼、 4Cr3MoW4VNb(GR)、 6Cr4Mo3NiWV(G2)等鋼。表 1 為常用熱作模具鋼舉例。 [36] 4 表 1 常用熱作模具鋼舉例 Table 1 Typical example of hot work die steel 模具類型 推薦使用鋼種 大截面熱鍛模 錘鍛模、壓力機(jī)鍛模 45Cr2NiMoVSi, 3Cr2MoWVNi, 5Cr2NiMoVSi, 3Cr2MoVNi, 5CrMnSiMoV, 5CrNiMo 中、小機(jī)鍛模 工作溫度 600℃左右 4Cr5MoSiV1, 2Cr3Mo3VNb, 4Cr5W2VSi, 4Cr5MoSiV, 4Cr3Mo2MnVB, 4Cr5Mo2MnVSi 工作溫度 650℃左右 3Cr3Mo3W2V, 5Cr4W5Mo2V, 4Cr3Mo2MnVB, 4Cr3Mo2NiVNbB, 2Cr3Mo3VNb, 4Cr3Mo2MnVB, 4Cr3Mo3W2V, 4Cr3Mo3W4VNb 熱擠壓模 鋁型材擠壓模 4Cr5MoSiV1,2Cr3Mo3VNb,4Cr3Mo2MnVB,4Cr5MoSiV 銅型材擠壓模 4Cr3Mo2NiVNbB,4Cr3Mo2MnVNbB,4Cr3Mo2MnVB,3Cr2W8V 壓鑄模 鋁合金壓鑄模 4Cr3Mo2MnVB,4Cr5Mo2MnVSi,2Cr3Mo3VNb 銅合金壓鑄模 4Cr3Mo2MnVNbB,4Cr3Mo2NiVNbB,4Cr3Mo2MnVB 國內(nèi)在熱作模具方面先后開發(fā)了幾十種鋼。 為適應(yīng)壓力加工新技術(shù)、新設(shè)備對模具材料在強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性方面的高要求，國內(nèi)外研制了許多新型熱作模具鋼，正在生產(chǎn)中發(fā)揮著作用。 （ 1） 大截面熱鍛模具鋼 為彌補(bǔ) 5CrMnMo 和 5CrNiMo 在較大截面和較高溫度時熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷， 開發(fā)了 45Cr2NiMoVSi（簡稱 45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（簡稱 5Cr2）、 3Cr2MoWVNi、 3Cr2MoVNi（代號 B2）等大截面熱鍛模具鋼。與 5CrNiMo 相比， 45Cr2 和 5Cr2 中既含有較高的 Cr 和Mo，又加入了少量的 V，使 CCT曲線上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)上移，低溫轉(zhuǎn)變區(qū)顯著右移，提高了鋼的淬透性。截面尺寸在 500*500mm以下的模具經(jīng)淬火回火后，硬度可達(dá) HRC3644。 45Cr2 和 5Cr2 還具有二次硬化能力，它們的高溫強(qiáng)度較 5CrNiMo 鋼高 50%，熱穩(wěn)定性高出 100～ 150℃ ，沖擊 韌性則相當(dāng)。另外，鋼的熱磨損性、熱疲勞性及抗熱裂紋擴(kuò)展的能力也強(qiáng)于 5CrNiMo。 （ 2） 中小熱鍛模具鋼 5 中小熱鍛模具的表面溫度可達(dá) 600℃ 以上，國內(nèi)較早開發(fā)了3Cr3Mo3VNb、 4Cr3Mo2MnVB（代號 ER8）等中碳鉻系高強(qiáng)度熱作模具鋼。這二種鋼中加人了 3%左右的 Mo，既能提高鋼的淬透性和防止出現(xiàn)回火脆性，又能提高鋼的熱穩(wěn)定性。加人 V 和 Nb 則可起到細(xì)化晶粒，降低鋼的過熱敏感性作用。因此，鋼的淬透性高，淬火加熱溫度范圍寬，過熱敏感性低，具有 優(yōu)良的高溫性能 ，用于制造不銹鋼（ 2Crl3）等熱鍛模，軸承凹模 和輥鍛模，都取得了良好的使用效果。 此外 ，國內(nèi)先后開發(fā)的 5%Cr 系中碳中合金熱作模具鋼已較大量用于熱鍛模具，適用于制造工作溫度在 600℃ 以下，對韌性和塑性要求較高的模具。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。 4Cr5MoV1Si 鋼的優(yōu)良性能已在國內(nèi)得到了廣泛認(rèn)可，應(yīng)用量已較大。 （ 3） 壓鑄模具鋼 在有色金屬壓鑄中， 3Cr2W8V 曾是應(yīng)用廣泛的模具鋼， 5CrNiMo、5CrMnMo、 3Cr2Mo 等中碳低合金鋼也作為鋁鋅合金壓鑄模具鋼使用。3Cr2W8V 的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。國內(nèi)為此先后開發(fā)了幾個 新型模具鋼，如 4Cr3Mo2MnVNbB（代號 Y4）和 4Cr5Mo2MnVSi（代號 Y10）等。 4Cr5Mo2MnVSi（代號 Y10），是針對鋁合金壓鑄模具而研制的，與3Cr2W8V 鋼相比，該鋼具有抗冷熱疲勞性能好、熱處理變形小、抗鋁溶損性能好等優(yōu)點，模具的使用壽命普遍比 3Cr2W8V 鋼制造的模具的使用壽命提高一倍以上。該鋼還可用于制造工作溫度在 600℃ 以下的中小熱鍛等模具。 （ 4） 銅、鋁型材熱擠壓模具鋼 銅合金熱擠壓模的穿孔針、底模等長時與高溫銅坯接觸，模具的使用工況較苛刻。用 3Cr2W8V 或 4Cr5MoV1Si 鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。國內(nèi)曾試圖采用奧氏體熱作模具鋼來解決此類模具壽命低的問題，但因鋼的冷熱疲勞性能較差而仍未得到圓滿解決。在此背景下，國內(nèi)有關(guān)大學(xué)、研究院所和鋼廠先后推出了可以提高此類模具使用壽命的鋼種。在相同硬度（ HRC43）下，其斷裂韌性比 3Cr2W8V 鋼高 30%。用 HD 鋼制造6 的銅合金管材擠壓底模和穿孔針的使用壽命較 3Cr2W8V 鋼提高一倍左右，并在軸承環(huán)熱擠沖頭和凹模、汽門擠壓底模上也有成功應(yīng)用的例子。用 Y4鋼制造銅合金擠壓模底模和穿孔針頂頭，模具的使用壽命也比 3Cr2W8V 鋼制造的模具穩(wěn)定地提高一倍以上。 鑄造模具鋼的失效形式 熱疲勞 金屬材料由于溫度梯度循環(huán)引起的熱應(yīng)力循環(huán)（或熱應(yīng)變循環(huán)），而產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象，稱為熱疲勞。 金屬零件在高溫條件下工作時，其環(huán)境溫度并不恒定，而有時是急劇反復(fù)變化的。由此造成的膨脹和收縮若受到約束時，在零件內(nèi)部就會產(chǎn)生熱應(yīng)力（又稱溫差應(yīng)力）。溫度反復(fù)變化，熱應(yīng)力也隨著反復(fù)變化，從而使材料受到疲勞損傷。塑性材料抗熱應(yīng)變的能力較強(qiáng)，故不易發(fā)生熱疲勞。相反，脆性材料抗熱應(yīng)變的能力差，熱應(yīng)力容易達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力故易受熱沖 擊而破壞。 熱疲勞的典型特征包括 典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀 ；裂紋走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂紋端部較尖銳，裂紋內(nèi)有或充滿氧化物 ； 宏觀斷口呈灰色，并為氧化物覆蓋 ； 裂紋源于表面，裂紋擴(kuò)展深度與應(yīng)力、時間及溫差變化相對應(yīng)。 熱疲勞是壓鑄模具最常見的失效形式 [69]。 熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處，當(dāng)裂紋形成后，應(yīng)力重新分布，裂紋發(fā)展到一定長度時，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛使裂紋停止擴(kuò)展。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋尖端附近出現(xiàn)一些小空洞并逐漸形成微裂紋，與開始形成的主裂紋合并，裂紋繼續(xù)擴(kuò) 展，最后裂紋間相互連接形成網(wǎng)絡(luò)狀裂紋而導(dǎo)致模具失效。熱裂主要是材料熱應(yīng)力疲勞所引起，即材料在熱應(yīng)力的作用下，由于經(jīng)常反復(fù)或脈動應(yīng)變而產(chǎn)生的一種連續(xù)的、局部的、永久性的組織變化。 熱疲勞裂紋總是在塑性變形最大的地方產(chǎn)生 [10]，常在以下情況萌生：塑性應(yīng)變集中處、第二相的脆斷與基體的開裂處、高溫氧化處、點蝕坑及夾雜物。Caliskanoglu D 等發(fā)現(xiàn)裂紋常萌生于樹枝晶間的碳化物處 [11]，另外，研究發(fā)現(xiàn)晶界上的碳化物是空洞形核的策源地 [12]，但細(xì)小碳化物對晶粒長7 大及裂紋的擴(kuò)展起阻礙作用 [13]， Lars Lundberg 指出碳化物等沉淀物的析出將引起鋼的循環(huán)硬化效應(yīng) 。因此， 當(dāng)碳化物起阻礙晶粒長大，阻止裂紋擴(kuò)展時對熱疲勞起有利作用；當(dāng)碳化物作為裂紋形核的策源地或成為裂紋擴(kuò)展的低能量通道時，則 降低 鋼的熱疲勞抗力。 熱疲勞的主要影響因素包括： （ 1） 環(huán)境的溫度梯度及變化頻率越大越易產(chǎn)生熱疲勞。 （ 2） 熱膨脹系數(shù)不同的材料組合時，易出現(xiàn)熱疲勞。 （ 3） 晶粒粗大且不均勻，易出現(xiàn)熱疲勞。 （ 4） 晶界分布的第二相質(zhì)點對熱疲勞的產(chǎn)生，具有促進(jìn)作用。 （ 5） 材料的塑性差，易出現(xiàn)熱疲勞。 （ 6） 零件的幾何結(jié)構(gòu)對金屬的膨脹和收縮的約束 作用大，易出現(xiàn)熱疲勞 。 侵蝕或沖刷 侵蝕或沖刷是由于機(jī)械和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。 在鋁合金壓鑄過程中，熔融鋁合金高速射入模具型腔，造成型腔表面的機(jī)械磨蝕，同時金屬鋁與模具材料生成脆性的鐵鋁化合物，成為熱疲勞裂紋的新萌生源 [1416]。 此外鋁充填到裂紋之中與裂紋壁產(chǎn)生機(jī)械作用，并與熱應(yīng)力疊加，加劇裂紋尖端的拉應(yīng)力，從而加快了裂紋的擴(kuò)展。提高材料的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強(qiáng)材料的抗侵蝕能力。 塑性 變形 塑性變形是物質(zhì) 包括流體及固體在一定的條件下，在外力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng) 施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。 模具在服役時 , 承受很大的應(yīng)力 , 而且應(yīng)力一般是不均勻分布的。當(dāng)模具的某個部位所受的應(yīng)力超過了當(dāng)時溫度下模具材料的屈服極限時 , 就會以晶格滑移、孿晶、晶界滑移等方式產(chǎn)生塑性變形 , 改變了模具原有的幾何形狀或尺寸 , 而且不能修復(fù)再服役 , 這種現(xiàn)象叫塑性變形失8 效。塑性變形的失效形式表現(xiàn)為鐓粗 , 彎曲、型腔脹大和塌陷等。 模具的塑性變形 , 是模具金屬材料的屈服過程。是否產(chǎn)生塑性變形 , 起主導(dǎo)作用的是機(jī)械負(fù)荷以及模具的室溫強(qiáng)度。在高溫下服役的模具 , 其屈服過程 是在較高溫度下進(jìn)行的 , 是否產(chǎn)生塑性變形 , 主要取決于模具的工作溫度和模具材料的高溫強(qiáng)度 [17]。 研究的主要內(nèi)容 合理的熱處理工藝是提高 4Cr5MoSiV1 鋼 使用壽命的關(guān)鍵。4Cr5MoSiV1 鋼 的熱處理工藝包括坯料鍛造后鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理、去應(yīng)力退火處理、淬火處理、回火處理、成型零部件的表面強(qiáng)化處理等，在制定其熱處理工藝時，采用變形小、表面質(zhì)量好的熱處理，有利提高模具壽命。 本論文 結(jié)合目前已有的 H13 鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（ TTT 曲線）及其相變臨界溫度特點， 通過對 H13 熱作模具鋼的 不同 淬火溫度和 不同 回 火溫度進(jìn)行 工藝模擬 實驗 ， 對比 不同熱處理方案下的 H13 鋼的 常溫和高溫 力學(xué)性能，最終優(yōu)選出 H13 模具鋼最佳的熱處理工藝參數(shù)。 此外，對 H13鋼的表面處理工藝（氮化處理）進(jìn)行研究，并獲得較為理想的表面處理方案。 9 第 2章 實驗 方法 實驗 鋼的制備 本文實驗用鋼在成分優(yōu)化實驗過程中采用 5kg 中頻感應(yīng)電爐，氧化法熔煉工藝熔煉實驗用鋼，當(dāng)鋼液溫度達(dá)到 1600℃時，插入鋁進(jìn)行脫氧后出鋼，采用沖入法對鋼液進(jìn)行孕育、變質(zhì)與凈化處理，然后在砂型中澆注楔形試樣。 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T12992020《 合金工具鋼》中規(guī)定的 H13（ 4Cr5MoSiV1）的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分，采用 2T 中頻感應(yīng)電爐，鋼包底部吹氬，出鋼后澆鑄成電極棒，接電渣重熔方法精煉，經(jīng)改鍛加工 及 球化 退火處理，獲得本 實驗所需產(chǎn)品 坯料 。 產(chǎn)品坯料的狀態(tài)最終為鍛件退火態(tài)，硬度 185229HBW。 需要注意的是，產(chǎn)品坯料交貨時表面帶有黑色氧化皮的棒料或者方坯，在制備 實驗 所需試樣時，需通過機(jī)械加工方式去除表面氧化皮部分，并在 實驗 產(chǎn)品坯料的中間部分取樣，以免因氧化皮及坯料表面脫碳影響 實驗 結(jié)果，造成測試結(jié)果的偏差，并由此得出不合實際的 實驗 數(shù)據(jù)。 本 論文 所選用的 H13（ 4Cr5MoSiV1） 模具材料 化學(xué) 成分如表 21 所示。 表 21 H13 模 具鋼化學(xué)成分范圍（ wt.％） C Si Mn P S Cr Mo V ~ ~ ~ ≤ ≤ ~ ~ ~ 合金元素對工模具鋼的合金化作用非常復(fù)雜，工模具鋼的不同性能正是通過不同合金元素在鋼中產(chǎn)生不同合金化作用而產(chǎn)生，合金鋼成分的設(shè)計要綜合考慮合金元素在鋼中的交互作用，通常要利用三元或多元合金相圖來了解平衡狀態(tài)下的相變 化，但研究某一合金元素對鋼性能的影響，可以采用在一定條件下變化合金元素含量來確定其對性能的影響。 C 是通過在鋼中形成合金碳化物來發(fā)揮重要作用， C 含量直接影響鋼的淬火硬度。 C 含量增高，可導(dǎo)致鋼的塑性和韌性明顯降低。通常來說，綜合力學(xué)性能良好的，一般為中碳鋼。在材料韌性可滿足使用要求時，選擇偏高的含 C 量可獲得更高的硬度和淬透性。 C