【正文】 產(chǎn)量和優(yōu)良的品質(zhì)而著稱于世。因此，模具技術(shù)是鋁合金輪轂生產(chǎn)的核心技術(shù)。 本課題 通過 對(duì) H13 熱作模具鋼熱處理工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究， 通過對(duì)比 不同淬火溫度和不同回火溫度參數(shù)對(duì) H13 鋼 力學(xué) 性能的影響， 最終 獲得最優(yōu)熱處理工藝參數(shù) （包括淬火溫度、回火溫度） 。熱作模具與冷作模具工作條件的主要區(qū)別在于熱作模具鋼與熱態(tài)金屬相接觸。 （ 2）型腔表層金屬產(chǎn)生熱疲勞。 為滿足上述苛刻的工作條件要求，熱作模具鋼通常具有硬度和紅硬性、耐磨性、強(qiáng) 度和韌性、熱疲勞性能等特殊的使用性能。熱作模具工作時(shí)除了承受周期性載荷作用之外，還要承受高溫及周期性的急冷急熱變化。 5CrNiMo 主要用于厚度 對(duì)于 300mm 的大中型鍛模， 5CrMnMo 適用于厚度在 250mm 以下的小型鍛模。因此 ， H13 鋼得到廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)量已超過 3Cr2W8V 鋼 。 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(diǎn) ， 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(zhǎng)壽命要求的高性能壓鑄模、擠壓模等 。 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。表 1 為常用熱作模具鋼舉例。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。 （ 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(guó)內(nèi)較早開發(fā)了3Cr3Mo3VNb、 4Cr3Mo2MnVB（代號(hào) ER8）等中碳鉻系高強(qiáng)度熱作模具鋼。 此外 ，國(guó)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(duì)韌性和塑性要求較高的模具。3Cr2W8V 的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。 （ 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(zhǎng)時(shí)與高溫銅坯接觸，模具的使用工況較苛刻。在相同硬度（ HRC43）下，其斷裂韌性比 3Cr2W8V 鋼高 30%。 金屬零件在高溫條件下工作時(shí)，其環(huán)境溫度并不恒定，而有時(shí)是急劇反復(fù)變化的。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。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。因此， 當(dāng)碳化物起阻礙晶粒長(zhǎng)大，阻止裂紋擴(kuò)展時(shí)對(duì)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(shí)，則 降低 鋼的熱疲勞抗力。 （ 4） 晶界分布的第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)熱疲勞的產(chǎn)生，具有促進(jìn)作用。 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(shí)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]。 模具在服役時(shí) , 承受很大的應(yīng)力 , 而且應(yīng)力一般是不均勻分布的。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。 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(diǎn)， 通過對(duì) 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(shí)驗(yàn) ， 對(duì)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)。 產(chǎn)品坯料的狀態(tài)最終為鍛件退火態(tài)，硬度 185229HBW。 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。 Cr 通過溶入奧氏體中固溶強(qiáng)化和提高鋼的淬透性；與 C 結(jié)合和與其他10 合金元素交互作用，形成氮化物和碳化物，包括 M7C3 和 M23C6，獲得較高高溫強(qiáng)度和抗回火性；改善耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬 度和耐蝕性；對(duì)二次硬化效應(yīng)的作用 。 W 的加入，可提高鋼的熱穩(wěn)定性。 V 含量過高，在二次硬化溫度范圍內(nèi)回火，鋼的塑性、韌性將明顯降低。 Mn 是一種相對(duì)廉價(jià)有效的置換型強(qiáng)化元素，它能延遲和減緩珠光體轉(zhuǎn)變，提高鋼的淬透性，還可消除有害元素 S 的影響，形成錳的硫化物 MnS，在形變硬化鋼中 Mn 發(fā)揮重要作用。 11 Al在鋼中的溶解度較低，能增加鋼的高溫氧化和腐蝕抗力（含量＞ 2%）；即使在高溫下溶解度也很有限；在晶界上形成 AlN 沉淀；可形成中間金屬化合物。 Cu在鋼中溶解度低，在鋼中以純銅形成沉淀，有顯著的時(shí)效硬化作用。 4Cr5MoSiV1 鋼的主要特點(diǎn)是含 Cr 量較高，具有高的淬透性，淬火時(shí)空冷即可得到馬氏體組織。其中電渣重熔工藝是整個(gè)煉鋼過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 電渣重熔是利用電流通過熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行熔煉的方法。電渣鋼錠的質(zhì)量取決于合理的電渣重熔工藝和保證電渣工藝的設(shè)備條件。自耗電極、渣池、金屬熔池、鋼錠、底水箱通過短網(wǎng)導(dǎo)線和變壓器形成回路。 液態(tài)金屬在渣池覆蓋下，基本上避免了再氧化。由于以上原因 ,電渣重熔生產(chǎn)的鋼錠的質(zhì)量和性能得到改進(jìn)，合金鋼的低溫、室溫和高溫下的塑性和沖擊韌性增強(qiáng)，鋼材使用壽命延長(zhǎng)。鍛造過程中應(yīng)注意： (1)保證加熱均勻，燒透，不允許過熱、過燒，以免出現(xiàn)鍛造裂紋； (2)開錘先錘快打，酌情加重，隨后再輕打，避免連續(xù)重打，嚴(yán)禁冷錘； (3)鍛造比不應(yīng)小于 3； (4)鍛后緩冷，可隨爐或灰冷，并及時(shí)退火，以防止產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力。部分試樣 在 SX21012高溫箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理 ，加熱速度 不超過 150℃ /h。本文中的沖擊 實(shí)驗(yàn) 分為 U 形缺口試樣的沖擊 實(shí)驗(yàn) 和 無缺口沖擊 實(shí)驗(yàn) 。 U 形缺口沖擊韌性值在生產(chǎn)中長(zhǎng)期使用 ,積累了大量的數(shù)據(jù) , 實(shí)踐證明能反映材料的缺口敏感性 , 能較正確地反映材料的表面狀態(tài)、冶金缺陷和顯微組織的變化。 高溫沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用 JCSJ3001 型數(shù)字化多用途沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，該 實(shí)驗(yàn) 機(jī)的主機(jī)符合 ISO、 ASTM 及 DIN 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，軟件按照最新版 ISO 2020 14566 要求編寫， 實(shí)驗(yàn) 的擺錘高度為 。 抗氧化性 試樣 抗氧化性試樣是在沖擊實(shí)驗(yàn)后的沖擊試樣上截取的 20 10 5mm 的試樣，試樣形狀及尺寸如圖 23。由于不能保證試樣尺寸的完全一致，在實(shí)驗(yàn)前還要用游標(biāo)卡尺測(cè)16 量試樣的真實(shí)尺寸， 實(shí)驗(yàn) 后用電光天平稱量試樣的增重。因此 , 熱穩(wěn)定性也作為不同使用溫度下熱作模具選材的一個(gè)重要依據(jù)。在 RJX2429 爐中加熱 , 用HRC150 硬度計(jì)按 GB2301983 進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn) 過程中，摩擦 磨損方式為干摩擦。 在掃描電鏡上觀察沖擊斷口 (如圖 24 所示 )。 圖 24 微觀分析設(shè)備 力學(xué)性能測(cè)試 采用 HR150A 型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，取 5 點(diǎn)平均值作為測(cè)試結(jié)果。 實(shí)驗(yàn) 溫度為 620℃，分別保溫 5h、 10h、 20h、 30h、 40h、 50h。 實(shí) 驗(yàn)溫度為 620℃，分別保溫 4h、 6h、 8h、 、 、 和 21h。磨損 實(shí)驗(yàn) 比常規(guī)的材料 實(shí)驗(yàn) 要復(fù)雜。 19 第 3章 H13熱作模具鋼熱處理工藝優(yōu)化 H13 鋼的 TTT曲線 合金 鋼是一種相變合金，高溫組織及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體）具有不同的比容。在連續(xù)冷卻過程中奧氏體發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，在膨脹曲線上可記錄相應(yīng)冷卻速度下，轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)。 A1 線與 Ms 線之間有三部分，縱坐標(biāo)線 與 a 線之間，為不穩(wěn)定的過冷奧氏體區(qū)，在 500~600℃時(shí)， a 線距縱坐標(biāo)最近，稱為危險(xiǎn)區(qū)，其形狀如鼻，故稱 C 曲線的鼻部；曲線 a 與 b 之間是奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 ——鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物；曲線 b 的右邊是奧氏體轉(zhuǎn)變終了所生成的鐵索體與滲碳體的各種混合物組織部分。在較低的奧氏體化溫度條件下空淬，熱處理變形小，空淬時(shí)產(chǎn)生氧化鐵皮處理變形小，而且可以抗熔融鋁的沖蝕作用。 圖 31 H13 鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（ TTT 曲線） H13（ 4Cr5MoSiV1）鋼的臨界溫度分別為 Ac1=860℃ 、 Ac3=915℃ 、Ar1=775℃ ， Ar3=815℃ 、 Ms=340℃ 、 Mf=215℃ 。 實(shí)際生產(chǎn)中，加熱溫度的選擇要根據(jù)具體情況加以調(diào)整。 淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。固體對(duì)外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。 淬硬性是指材料在理想條件下淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度。 采用較高的淬火加熱溫度 ，坯料的硬度將提高， 殘留奧氏體量亦將增加 ，而較低的淬火加熱溫度坯料的韌性將更好 ，淬火開裂現(xiàn)象也會(huì)減少。H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 的淬火組織是細(xì)針馬氏體 +未溶碳化物 +殘留奧氏體。 推薦的淬火規(guī)范 熱作模具鋼經(jīng)淬火后再回火的硬度通常會(huì)略有下降，鑄造用模具鋼的硬度一般要求在 54HRC 左右，為達(dá)到最終使用硬度要求，根據(jù)圖 32 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化情況， H13 鋼 推薦選擇的淬火工藝參數(shù)見表 31。或?qū)⒋慊鸷蟮暮辖鸸ぜ訜岬竭m當(dāng)溫度，保溫若干時(shí)間，然后緩慢或快速冷卻。因此，回火是工件獲得所需性能的最后一道重要工序。 這種復(fù)合組織是一種典型組織，大部分熱作模具鋼經(jīng)常規(guī)淬火處理后，鋼中殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，并有少量殘余奧氏體存在，經(jīng)較高溫度回火后，這些淬火馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，消除了部分殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，同時(shí)，淬火過程未轉(zhuǎn)變完全的殘余奧氏體也會(huì)繼續(xù)部分轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，并有少量殘余在最終組織中。選擇最優(yōu)的回火溫度應(yīng)結(jié)合 H13 鋼的其他力學(xué)性能綜合分析。 表 32 給出了 H13 鋼經(jīng) 1020℃油淬并在不同溫度兩次回火后的室溫力學(xué)性能，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，隨著回火溫度升高， H13 鋼的強(qiáng)度下降， 強(qiáng)度下降意味著 H13 模具鋼在 載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力 有所降低； 而沖擊韌性和延伸率有所升高 ， 金屬材料抵抗沖擊載荷 或產(chǎn)生永久變形 而不被破壞的能力 有所提升 。第三次回火：充分消除淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，選擇溫度是 600℃ 進(jìn)行保溫，回火硬度為 41～ 46HRC， 具有良好的強(qiáng)韌性配合。 圖 36 是 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼不同淬火溫度淬火，經(jīng)回火后強(qiáng)度 σ b的變化。 620℃回火，鋼的強(qiáng)度急劇下降，這時(shí)由于碳化物的聚集長(zhǎng)大，鋼的回火抗力降低。 圖 38表示 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼在不同淬火溫度淬火后不同溫度回火的 aK 值。從數(shù)值綜合情況看，在 700℃以下， H13 鋼均表現(xiàn)出了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，而常規(guī)熱作模具（鑄造模具）的實(shí)際工作溫度通常都不會(huì)超過 700℃，一般最高達(dá)到 650℃，這說明 1020℃油淬 580℃兩次回火這種熱處理工藝，可基本滿足 H13 鋼在熱作模具的工況環(huán)境下服役，同時(shí)賦予模具相對(duì)較高的高溫力學(xué)性能，這為模具達(dá)到較高的使用壽命提供了保障。 31 圖 310 不同回火溫度 H13 鋼的熱硬性 圖 310 H13 鋼的回火穩(wěn)定性 圖 310 給出了 H13 鋼的回火穩(wěn)定性曲線。回火會(huì)導(dǎo)致馬氏體的分解，隨著回火的溫度不同，分別形成回火馬氏體，回32 火屈氏體，回火索 氏體。 H13 鋼中的合金元素滯緩馬氏體的分解，阻礙碳化物的聚集長(zhǎng)大，形成堅(jiān)硬的碳化物以及阻礙相的回復(fù)再結(jié)晶。在達(dá)到相同硬度的情況下，合金鋼的回火溫度比碳鋼高，回火時(shí)間也應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)，可進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，因而合金鋼的塑性 、韌性較碳鋼好；而在同一溫度回火時(shí)，合金鋼的強(qiáng)度、硬度比碳鋼高。表面處理的目的是滿足產(chǎn)品的耐蝕性、耐磨性、33 裝飾 或其他特種功能要求。如果在滲氮過程中同時(shí)滲入碳以促進(jìn)氮的擴(kuò)散，則稱為氮碳共滲。為了提高基體硬度，本實(shí)驗(yàn)采用了對(duì) H13 鋼預(yù)先氮化處理后再磁控濺射 CrAlN 薄膜的方法，目的是比較 H13 鋼、 H13 鋼表面濺射 CrAlN 膜層與 H13 鋼離子氮化處理后再濺射 CrAlN 膜層的高溫摩擦磨損性能 。這是因?yàn)? H13 鋼表面的高溫摩擦過程是舊氧化物剝落和新氧化物形 成的過程，使摩擦副與接觸表面始終處在氧化物的潤(rùn)滑條件下，則其摩擦系數(shù)僅在小幅度范圍內(nèi)變化。在繼續(xù)摩擦的過程中，出現(xiàn)部分 Fe 氧化，使其摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。同時(shí)由于 600℃高溫摩擦?xí)r，其表面部分膜層剝落的基體在高溫下氧化與摩擦副接觸，從而產(chǎn)生的犁溝比室溫摩擦?xí)r更為明顯。H13 鋼的磨損率為 10－ 3mm179。 m)，氮化 H13+CrAlN 的磨損率為 10－ 3mm179。 由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可知： (1)由于 H13 鋼中的鐵在 600℃ 高溫摩擦?xí)r發(fā)生了氧化，產(chǎn)生的氧化物