【正文】 N），VC 的硬度很高，并且為了溶解碳化物第二相，要求較高的奧氏體化溫度，細(xì)小彌散分布的 VC 顆?？纱龠M(jìn)鋼的二次硬化效果和抗回火軟化能力，提高鋼的熱穩(wěn)定性。 Si是非碳化物形成元素，組織貝氏體碳化物的形成，但能提高回火時(shí)析出特殊碳化物的彌散度，適量加入 Si還可以改善鋼的韌性。通常， Ni是不銹鋼中重要的合金元素?？商岣邷匮趸沽?，特別是在溫度周期性變化的條件下降低氧化皮剝落傾向；由于能與硫和氧結(jié)合提高熱加工性，但過(guò)量時(shí)會(huì)引起熱脆。生產(chǎn)工模具鋼是必須嚴(yán)格控制 S 和 P 含量，盡量降低 S 和 P 對(duì)工模具鋼性能的損害。 12 表 22 H13 模 具鋼 各國(guó)鋼號(hào)對(duì)照 中國(guó) 中國(guó)臺(tái)灣 美國(guó) 德國(guó) 英國(guó) 瑞典 韓國(guó) 日本 GB ISC CNS ASTM DIN BS SS14 KS JIS Cr5MoSiV1 T20502 SKD61 H13 X40CrMoV51 BH13 SKD61 SKD61 圖 21 主要冶煉生產(chǎn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn) 鋼的整個(gè)制備工藝可概況為：中頻冶煉 — 電渣重熔 — 鍛造 — 球化退火。電渣鋼的鑄態(tài)機(jī)械性能可達(dá)到或超過(guò)同鋼種鍛件的指標(biāo)。 電渣重熔的基本過(guò)程 ： 在銅制水冷結(jié)晶器內(nèi)盛有熔融的爐渣，自耗電極一端插入熔渣內(nèi)。鋼中有害元素（硫、鉛、銻、鉍、錫）通過(guò)鋼 渣反應(yīng)和高溫氣化比較有效地去除。上升的渣池在結(jié)晶器內(nèi)壁上形成一層薄渣殼，不僅使鋼錠表面光潔，還起絕緣和隔熱作用，使更多的熱量向下部傳導(dǎo) ,有利于鋼錠自下而上的定向結(jié)晶。 H13 鋼的鍛造溫度取 1100℃ ～ 1160℃ 為宜。 熱處理 工藝 該論文部分 實(shí)驗(yàn) 利用高壓真空氣淬爐來(lái)進(jìn)行，真空熱處理按照 NODCA 207－ 2020標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。本研究采用的強(qiáng)韌化熱處理工藝方案為： 預(yù)處理 淬火 一次回火 二次回火 三次回火（按需） 試樣的制備 沖擊試樣 韌性的正確含義是阻止已有裂紋在拉伸負(fù)荷作用下擴(kuò)展的能力，不同類型熱作模具在工況條件下都要受到?jīng)_擊載荷作用 , 所差別的是所受載荷大15 小。試樣尺寸為 : 10mm 10mm 55mm , U 形缺口 , R =1mm； U 形缺口室溫沖擊實(shí)驗(yàn) 按 GBT2292020《 夏比擺錘沖擊 實(shí)驗(yàn) 方法 》 進(jìn)行。 無(wú)缺口沖擊試樣按照 NADACA ＃ 2072020 標(biāo)準(zhǔn)加工成 : 7mm 10mm 55mm , 無(wú)缺口。拉伸試樣標(biāo)距為 27mm，直徑為 8mm，按 GB43382020《 金屬材料高溫拉伸實(shí)驗(yàn) 》 進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn) 溫度為 750℃，分別保溫 5h、 10h、 20h、 30h、40h、 50h。這對(duì)高精度、大批量連續(xù)生產(chǎn)的熱作模具具有重要意義。最后測(cè)定以上試樣的室溫硬度。6 35。 分析與測(cè)試 設(shè)備及 方法 微觀 組織 分析 采用 DMM— 400C 型 倒置金相 顯微鏡和 掃描電鏡（ JSM6490， Japan）進(jìn)行顯微組織觀察，并通過(guò) INCA X 射線能譜儀 確定稀土化合物、碳氮化合物及氧化物等的組成 。 金相試樣經(jīng)金相砂紙和拋光機(jī)研磨拋光處理后，采用 4%硝酸酒精溶液來(lái)進(jìn)行腐蝕后觀察。 抗氧化性 實(shí)驗(yàn) 抗氧化性試樣 是在沖擊實(shí)驗(yàn)后的沖擊試樣上截取的 20105 mm 的試樣。 熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 熱穩(wěn)定性試樣是在沖擊實(shí)驗(yàn)后的沖擊試樣上截取的 10 10 15 mm的試樣。通過(guò)這種 實(shí)驗(yàn) 可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣。用 TR240 便攜式表面粗糙度儀測(cè) 得磨痕深度，進(jìn)而獲得磨損體積 V，通過(guò) V/（ N 載荷 *L 滑行距離）獲得膜層磨損率。在熱力模擬 實(shí)驗(yàn) 機(jī)上將試樣置入膨脹儀中，加熱到奧氏體化溫度保溫后，以不同的速度連續(xù)冷卻到室溫 。 C 曲線分四個(gè)區(qū)域， A1 以上為穩(wěn)定的 奧氏體 區(qū)域。該鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，在中溫條件下具有很好的韌性 ?熱疲勞性和一定的耐磨性，不易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，且抗粘結(jié)力強(qiáng)，與熔融金屬相互作用小 ， 而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。圖 31 是 H13 鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線， 該圖為我們確立熱處理工藝范圍提供了一定的理論基礎(chǔ)。通常亞共析鋼淬火是將其加熱到 Ac3 以上某一溫度，取 Ac3+（ 30～ 50℃）；過(guò)共析鋼或共析鋼加熱溫度在 Ac1～ Acm 之間，取 Ac1+（ 30 ～ 50℃），大件取上限，細(xì)晶粒鋼有時(shí)取更高溫度。 H13 鋼 淬火溫度范圍的選取 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（過(guò)共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體 1 化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到 Ms 以下（或 Ms 附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度 圖 32 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線 22 材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。硬度 實(shí) 驗(yàn) 根據(jù)其測(cè)試方法的不同可分為靜壓法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）、劃痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。金屬晶粒的尺寸 (或晶粒度 )對(duì)其在室溫及高溫下的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，晶粒尺寸的細(xì)化也被作為鋼的熱處理中最重要的強(qiáng)化途徑之一。 H13 鋼 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線 示于圖 32。淬火溫度比退火溫度高， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼在淬火加熱時(shí)，應(yīng)采取措施防止氧化脫碳和燒損。 不同回火工藝對(duì) H13 鋼性能的影響 H13 鋼 回火 溫度范圍的選取 鋼的回火是 將經(jīng)過(guò)淬火的工件重新加熱到低 于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝。 回火一般緊接著淬火進(jìn)行，其目的是： （ a）消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂； （ b）調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求； （ c）穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度； （ d）改善 和提高加工性能。 24 圖 33 H13 鋼經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的金相顯微組織主要為回火馬氏體 +殘余奧氏體 +少量碳化物，圖 33 給出了 H13 經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織。從曲線中看出， H13 鋼在回火過(guò)程中，隨回火溫度的升高，在 500℃左右出現(xiàn)了二次硬化現(xiàn)象，這可能與 H13 鋼中組織的碳化物析出有關(guān)。回火過(guò)程的應(yīng) 力釋放對(duì)于降低模具鋼在后續(xù)機(jī)械加工和使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象相對(duì)有利。第二次回火：使 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 硬度穩(wěn)定， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 采用 620℃ 回火，硬度達(dá)到 44HRC 時(shí)，具有強(qiáng)度、韌性、耐磨、抗冷、熱疲勞最佳搭配的綜合性能?；鼗鸷笥屠?，以防止高溫回火脆性的產(chǎn)生。 隨著回火溫度的變化， 580℃ 、600℃ 回火，鋼獲得高強(qiáng)度，鋼的彌散強(qiáng)化效果在 600℃ 左右達(dá)到峰值。 600℃ 回火雖然處于谷點(diǎn)，但仍具有足夠的塑性 性能， δ% 大于 5%， ψ% 大于 35%。 圖 37 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的塑性 29 圖 38 H13 鋼經(jīng)淬火回火后 沖擊韌性 aK 2. 高溫力學(xué)性能 圖 39 給出了 H13 鋼經(jīng) 1020℃油淬 580℃兩次回火后高溫力學(xué)性能，由圖可知，隨溫度升高， H13 鋼的強(qiáng)度硬度指標(biāo)下降，而塑性指標(biāo)（包括沖擊韌性、塑性延伸率、斷面收縮率）均有所升高。圖 310 給出了經(jīng)1020℃油淬后在 540℃、 580℃、 600℃不同溫度回火 2 次 2h 的 H13 鋼在室溫、 100～ 650℃ 實(shí)驗(yàn) 溫度下的熱硬性?；鼗鸱€(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的，它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性程度，表征模具在高溫下的變形抗力?；鼗鸱€(wěn)定性是零件回火后的硬度與再經(jīng)相同的回火溫度再回火一次后的硬度差 ,差別越小回火穩(wěn)定性越好。 合金鋼回火穩(wěn)定性較高，一般是有利的。 表 33 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼推薦的回火規(guī)范 回火目的 回火溫度 /℃ 加熱設(shè)備 冷卻 回火硬度（ HRC） 清除應(yīng)力和降低硬度 560～ 580 熔融鹽浴或空氣爐 空氣 47～ 49 表面處理對(duì) H13 鋼硬度的影響 表面處理 是 在基體材料表面上人工形成一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝方法。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動(dòng)的氨氣并加熱，保溫較長(zhǎng)時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。但是 CrN 在 560℃時(shí)開(kāi)始氧化，因而國(guó)內(nèi)外研究人員在磁控濺射 CrN 膜層中引入 Al 元素，使膜層硬度和熱穩(wěn)定性得到了提高并使其抗氧化溫度達(dá)到 800～ 900℃。在高溫摩擦?xí)r，隨滑行距離的增大， H13 鋼表面摩擦系數(shù)在 上下波動(dòng)，而 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 表面膜層的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了很大幅度的變化。當(dāng)磨痕中鋁選擇性氧化生成 Al2O3 在摩擦過(guò)程中起潤(rùn)滑作用時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始降低。由圖 314(b)可以看出，H13+CrAlN 試樣摩擦表面除了有犁溝外，小溝槽表面上形成分散的片狀和脫落的帶狀硬質(zhì)膜層，膜層磨損是微觀犁削與疲勞剝落共同作用的結(jié)果。 圖 314 H13 鋼、 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 在 600℃摩擦后的摩痕形貌 36 在載荷為 5N 時(shí)，以 Si3N4 為摩擦副的 600℃高溫摩擦條件下H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 的表面耐磨性用摩擦后磨損率的倒數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。/(N從中可以看出離子氮化雖對(duì)基體起到預(yù)先硬化的作用，提高了基體對(duì) CrAlN 薄膜的承載能力，但因膜 /基結(jié)合力較弱，并未對(duì)膜層的耐磨性起到支撐作用。/(N?m)。/(N由圖 314(c)可以看出，氮化 H13+CrAlN 試樣摩擦表面的犁溝不是很明顯，由于受膜 /基結(jié)合力的影響較小，主要以硬質(zhì)膜層剝落為主；因基體 H13 鋼表面預(yù)先進(jìn)行了氮化，表面所形成的氮化層阻止了氧元素與鐵元 素的接觸使得氧化難以進(jìn)行，因此剝落的 CrAlN 膜層易被摩擦副壓入表層，可以看到顆粒狀物質(zhì)對(duì)硬化表面產(chǎn)生的微觀切 削 作用。但由于存在硬質(zhì)膜層的剝落，其中一部分膜層剝落會(huì)脫離摩擦系統(tǒng)，另一部分膜層剝落會(huì)進(jìn)入摩擦軌道從而使鋁 、鐵元素的氧化難以進(jìn)行，摩擦系數(shù)隨后增加。而氮化 H13+CrAlN 表面膜層摩擦?xí)r因?yàn)槟?/基結(jié)合力較?。y(cè)得其膜 /基結(jié)合力 Lc 為 N，而前者為 N），高溫摩擦到一段距離后，硬質(zhì)膜層從基體表面剝落，導(dǎo)致摩擦副直接與基體表面接觸，使得其表面膜層摩擦系數(shù)急劇下降后趨向于 H13 鋼的摩擦曲線。 圖 312 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 薄膜的 SEM 圖 從圖 312 中可以看出膜層的晶體生長(zhǎng)致密， 顆粒清晰可見(jiàn)，但有大顆粒存在；通過(guò)比較圖 2(a)、 (b)可知，表面預(yù)先進(jìn)行離子氮化處理后的 H13 表面 (b)濺射沉積時(shí)形成了比較多的大顆粒。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。 從圖 310 的 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果看， H13 鋼在 500600℃的較高溫度范圍內(nèi)的回火穩(wěn)定性都比較好，能夠維持較高的硬度，這對(duì)提高熱作模具的耐磨性非常有利。這些影響的結(jié)果使淬火鋼回火時(shí)變得更為穩(wěn)定，其硬度不易隨回火溫度的升高而降低。這些回火組織比馬氏體硬度要低。 回火穩(wěn)定性指隨回火溫度升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度，也稱回火抗力或抗回火軟化能力。 30 圖 39 高溫力學(xué)性能 （ 1020℃油淬 580℃兩次回火） 熱 硬性 和回火穩(wěn)定性 熱硬性是指鋼在較高溫度下，仍能保持較高硬度的性能。 由 圖 38 可以看出，鋼的沖擊韌性對(duì)最終熱處理工藝不很敏感，以 1020℃ 淬火 +580℃ 三次回火獲得較高沖擊韌性。 圖 37表示 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼的 δ% 與 ψ% 隨淬火溫度及不同溫度回火后的變化。由圖 36可見(jiàn)，隨著淬火溫度的升高， 殘留奧氏體量也將增加，而較低的淬火加熱溫度坯料的韌性將更好，淬火開(kāi)裂現(xiàn)象也會(huì)減少， 由于奧氏體中的碳及合金元素的溶解量增加，回火后強(qiáng)度升高。 淬火采用油冷，適當(dāng)增加殘余奧氏體量以利于回火時(shí)的轉(zhuǎn)變。 表 32 H13(4Cr5MoSiV1)鋼最終熱處理后室溫 力學(xué) 性能 試樣號(hào) 機(jī)械性能 σ b MPa δ % ψ % aK MPa 25 圖 34 H13 鋼 1020℃油淬后不同溫度兩次回火后的硬度曲