【正文】 線 1. 室溫力學(xué)性能 圖 35 淬火和回火的變形率 26 圖 35 給出了 H13 鋼淬火和不同溫度回火的變形率，從圖中看出，隨回火溫度的升高， H13 鋼的變形率有所升高，當(dāng)回火溫度為 600℃時， H13 鋼的變形率達(dá)到峰值 %。 不同溫度 回火 后的 性能測試 H13 鋼的淬火組織是細(xì)針馬氏體 +未溶碳化物 +殘留奧氏體，為了消除淬火應(yīng)力和殘留奧氏體，并使馬氏體韌化，必須進(jìn)行 2～ 3 次高溫回火，淬火后的模具溫度在低于 70℃ 時應(yīng)盡快回火，這對尺寸較大形狀復(fù)雜的熱作模具鋼尤為重要，為了避免熱作?；鼗饡r產(chǎn)生殘留應(yīng)力，在回火加熱和冷卻時應(yīng)緩慢進(jìn)行。 為獲得最佳熱處理工藝參數(shù)，參考 H13 鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線（ TTT 曲線）及相變臨界溫度，結(jié)合已有 H13 熱作模具鋼的熱處理經(jīng)驗，本論文在不超過 700℃的回火溫度范圍內(nèi) ， 進(jìn)行了多組對比 實(shí)驗 ，最終 通過 實(shí)驗 結(jié)果來最終確定最佳 回火 溫度。一般用以減低或消除淬火鋼件中的內(nèi)應(yīng)力，或降低其硬度和強(qiáng)度，以提高其延性或韌性。 23 表 31 H13 鋼推薦的淬火 工藝參數(shù) 淬火溫度 /℃ 冷卻 硬度（ HRC） 介質(zhì) 介質(zhì)溫度 /℃ 冷卻到室溫 1020～ 1050 油或空氣 20～ 60 56～ 58 淬火加熱階段的預(yù)熱 ，可避免過快的加熱速度引起坯料內(nèi)部過大的熱應(yīng)力 ， 防止模具產(chǎn)生變形 ， 預(yù)熱還有效地促進(jìn)了奧氏體的均勻化。因含鉻量較多，具有較高的淬透性，厚度為 150mm 的 件可油冷淬透。實(shí)際淬火溫度的選定 既要保證奧氏體中溶有足夠的碳和合金元素以得到高的硬度和紅硬性 ,又要保證奧氏體晶粒度大于或等于 9 級，以保證足夠的韌性。淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度表面至半馬氏體層的深度，由表面至半馬氏體層的深度越大，材料的淬透性越高。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時可選用溫度上限；若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限；同一鋼種的 零件淬火時若采用冷卻能力大的冷卻劑 (如水淬用氫氧化鈉水，油淬用柴油 )溫度應(yīng)取下21 限，反之則取上限；鹽浴爐速度快、均勻、變形小、脫碳少及加熱時間短取上限，箱式爐加熱時間長應(yīng)取下限。 奧氏體化溫度 1010℃。使用壽命遠(yuǎn)高于第一代模具鋼 5CrNiMo和 3Cr2W8V。可以根據(jù)鋼的 C 曲線圖形，計算出鋼的臨界冷卻速度；根據(jù) C 曲線圖形的特點(diǎn)，可以預(yù)先估計鋼熱處理后的組織；利用它可作為確定鋼的等溫退火、等溫 淬火 、分級淬火的等溫范圍的 主要參數(shù)的依據(jù)。以溫度為縱坐標(biāo)，時間對數(shù)為橫坐標(biāo)，將相同性質(zhì)的相轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)分別連成曲線，并標(biāo)明最終組織和硬度值以及 Ms 點(diǎn)、 Ac Ac3 點(diǎn)的臨界值。鋼在加熱或冷卻時，除了熱脹冷縮引起體積變化之外，還有因相變引起的體積變化，在冷卻曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的 實(shí)驗 方法，以便使 實(shí)驗 結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。18 最后測定以上試樣的室溫硬度。由于不能保證試樣尺寸的完全一致，在實(shí)驗前還要用游標(biāo)卡尺測量試樣的真實(shí)尺寸， 實(shí)驗 后用電光天平稱量試樣的增重。沖擊韌性實(shí)驗在 JBNS500 型沖擊實(shí)驗機(jī)上進(jìn)行，取 35 個試樣的平均值 作為測試結(jié)果 。 采用17 D/maxr X 射線衍射儀 （ D/MAX 2500VL/PC， Japan） 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對于稱重的試樣， 實(shí)驗 前后用清洗劑以相同方法清洗試樣，清洗劑為三氯乙烷，然后再用甲醇清洗，清洗后在 60℃下進(jìn)行約 2h 烘干。 摩擦磨損 試樣 摩擦磨損 實(shí)驗 參照 GB/T124442020《 金屬材料 磨損 實(shí)驗 方法 試環(huán) 試塊滑動磨損 實(shí)驗 》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。熱穩(wěn)定性試樣是在沖擊實(shí)驗后的沖擊試樣上截取的 10 10 15mm 的試樣。最后用單位面積上的增重衡量試樣的抗氧化性能。 實(shí)驗 前，用砂輪和砂紙磨去 試樣表面機(jī)加工痕跡并拋光，以消除試樣 表面因素對 實(shí)驗 結(jié) 果的影響。 拉 伸 試樣 室溫與高溫拉伸性能是材料常規(guī)性能之一 , 它能直觀地定量表示材料的強(qiáng)度與塑性 , 在模具設(shè)計中可作為主要參考指標(biāo)。有缺口 實(shí)驗主要缺點(diǎn)是沖擊能量的吸收受到試樣制備的影響，尤其是缺口的精度影響，實(shí)驗 數(shù)據(jù)離散相當(dāng)大。 U形缺口試樣的沖擊 實(shí)驗 在 JB30B 型沖擊 實(shí)驗 機(jī)上進(jìn)行。高溫箱式電阻爐 ， 采 用新型抗氧化、防脫碳高溫涂料進(jìn)行保護(hù)，并且在熱處理爐中加入一些鐵屑和木炭以防止試樣 氧化。 （ 2）等溫球化退火規(guī)范 緩慢加熱， 850870℃ 34h，爐冷至 740760℃ 45h，再爐冷至≤ 550℃出爐空冷，硬度≤ 229HBW，共晶碳化物 等級≤ 3 級。 本論文實(shí)驗用 H13 鋼的熱加工規(guī)范和退火規(guī)范分別如下： （ 1）熱加工規(guī)范 加熱溫度 1110～ 1160℃，始鍛溫度 10601150℃，終鍛溫度≥ 800℃。因為是在銅制水冷結(jié)晶器內(nèi)熔化、精煉、凝固的，這就杜絕了耐火材料對鋼的污染。在通電過程中，渣池放出焦耳熱，將自耗電極端頭逐漸熔化，熔融金屬匯聚成液滴，穿過渣池，落 入結(jié)晶器，形成金屬熔池，受水冷作用 ,迅速凝固形成鋼錠。電渣熔鑄 工藝從根本上解決了一般鑄造工藝的主要矛盾，它綜合了電渣重溶 獲得高冶金質(zhì)量的金屬和鑄造 澆鑄異型零件精化毛坯的長處，并具有與普通冶煉的變形金屬相近的致密組織以及無各向異性的特點(diǎn)。其主要目的是提純金屬并獲得潔凈組織均勻致密的鋼錠。 C 含量屬低中碳，以保證鋼淬火、回火后的強(qiáng)硬性，同時使鋼有好的導(dǎo)熱性和較高的沖擊韌性； Mo 提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，減少或抑制回火脆性； Si 增加鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，提高基體強(qiáng)度； V 細(xì)化晶粒，提高淬透性。 N 是奧氏體穩(wěn)定化元素，對工模具鋼的強(qiáng)化作用明顯，與 C 元素類似，可強(qiáng)烈降低鋼的 Ms 溫度；可在鋼中形成高 硬度、高穩(wěn)定性的氮化物和碳氮化物；可提高鋼的點(diǎn)蝕能力。 Nb、 Ti、 Ta 和 Zr 可形成高溫度碳化物、氮化物或碳氮化合物 MX（ X為 C 或 N）；可與 C 和 N 結(jié)合幾乎不單獨(dú)存在于固溶體中（無間隙原子鋼和穩(wěn)定的不銹鋼 )；提高不銹鋼的晶間腐蝕抗力；其碳化物細(xì)化鑄態(tài)晶粒 ，但在某些條件下會引起脆性；要求較高的奧氏體化溫度，由于減少奧氏體中固溶的碳而提高 Ms 溫度；回火過程中產(chǎn)生二次硬化；延遲回復(fù)和再結(jié)晶發(fā)生；低溫下由于中間相析出而強(qiáng)化鐵素體。 Co 能融入某些混合型碳化物和中間相（如馬氏體時效鋼中）；延遲回復(fù)和再結(jié)晶；增加基體中 C 的活度，增加回火時 Mo2C 形核速率；降低 W、Mo 在 Fe 中的擴(kuò)散系數(shù)，緩解相應(yīng)碳化物的長大速度。 Si在鋼中含量通常為 %～ %，影響很?。桓吆浚?%～ 3%）時，能改善鋼的高溫抗氧化性和抗腐蝕能力。但是， Mo 或 W 加入過多，將引起碳化物偏析，降低鋼的韌性；即使在低濃度時，也容易因為在回火過程中沉淀碳化物而產(chǎn)生二次硬化。較好的切削加工性。 C 含量增高，可導(dǎo)致鋼的塑性和韌性明顯降低。 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(shí)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(shí)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(shí)驗 結(jié)果，造成測試結(jié)果的偏差，并由此得出不合實(shí)際的 實(shí)驗 數(shù)據(jù)。 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。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]。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。 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。 （ 5） 材料的塑性差，易出現(xiàn)熱疲勞。 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。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)。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）。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 3Cr2W8V 或 4Cr5MoV1Si 鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。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。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。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。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。 [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。經(jīng) 880～ 900℃退火后 ,一般硬度為 207～229HBS,加工性能比較好。 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 。 目前， 國內(nèi) 中、大型復(fù)雜模具多采用進(jìn)口的 H13 鋼 ， 較普遍的有 8407（ 瑞典 )， W302（ 奧地利 ） ， 2344（ 德國 ）， SKD6 DAC55（ 日本日立 ）， DH2F、 DH31S（ 日本大同 ）。但當(dāng)用于更大截面或更高溫度時，這兩種鋼存在淬透性、熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及耐磨性不夠的問題。熱交變應(yīng)力易使熱作模具材料發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致模具熱裂。熱作模具鋼的碳含量一般為 %～ %，有良好的強(qiáng)度、硬度和韌性。熱作模具的工作狀態(tài)是反復(fù)受熱和冷卻，從而使型腔表層金屬產(chǎn)生反復(fù)的熱脹冷縮，即反復(fù)承受拉壓應(yīng)力作用，容易引起型腔表面出現(xiàn)熱疲勞裂紋。熱作模具鋼除了能用于上述三類熱作模具外，還可用于制造有較高強(qiáng)韌性、使用溫度較高和一定耐磨性的塑料模。 此外本課題還對 H13 鋼的表面處理工藝進(jìn)行了 實(shí)驗 研究，并得 出對 H13 鋼表面進(jìn)行氮化處理可有效強(qiáng)化模具性能的結(jié)論。目前，生產(chǎn)鋁合金輪轂的鑄造模具材料為 H13 熱作模具鋼。產(chǎn)品擴(kuò)大到汽車相關(guān)部件，如氣缸頭、氣缸體、剎車鼓、離合器罩、輪轂、進(jìn)氣岐管等。同時， 氮化 H13+CrAlN 和 H13+CrAlN 在 600℃高溫摩擦實(shí)驗條件下的表面耐磨性分別是 H13 鋼的 倍和 7 倍 ，在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)需要選取對 H13 鋼表面氮化工藝。 研究表明， H13（ 4Cr5MoSiV1）鋼最 佳的熱處理工藝規(guī)范為： H13 鋼坯先在 500℃和 850℃左右預(yù)熱，再加熱至 1020～ 1050℃淬火溫度對其充分奧氏體化后油冷，淬火硬度 56～ 58HRC；回火溫度 580℃～ 600℃，回火次數(shù) 2～ 3 次， 2h/次 。在鋁合金鑄件的生產(chǎn)量中，低壓鑄造品已占了大約 50%，并以其巨大的生