【正文】 m)，氮化 H13+CrAlN 的磨損率為 10－ 3mm179。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。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滑條件下，則其摩擦系數(shù)僅在小幅度范圍內(nèi)變化。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。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，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。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。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。 620℃回火，鋼的強(qiáng)度急劇下降，這時(shí)由于碳化物的聚集長大，鋼的回火抗力降低。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。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。因此，回火是工件獲得所需性能的最后一道重要工序。 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。 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。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)。 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。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。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)。磨損 實(shí)驗(yàn) 比常規(guī)的材料 實(shí)驗(yàn) 要復(fù)雜。 實(shí)驗(yàn) 溫度為 620℃，分別保溫 5h、 10h、 20h、 30h、 40h、 50h。 在掃描電鏡上觀察沖擊斷口 (如圖 24 所示 )。在 RJX2429 爐中加熱 , 用HRC150 硬度計(jì)按 GB2301983 進(jìn)行。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。 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 。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) 。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。 液態(tài)金屬在渣池覆蓋下，基本上避免了再氧化。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。 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。 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。 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。 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 。 產(chǎn)品坯料的狀態(tài)最終為鍛件退火態(tài)，硬度 185229HBW。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]。因此， 當(dāng)碳化物起阻礙晶粒長大，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。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。在相同硬度（ HRC43）下，其斷裂韌性比 3Cr2W8V 鋼高 30%。3Cr2W8V 的冷熱疲勞性能較差，模具的使用壽命不高。 （ 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(hào) ER8）等中碳鉻系高強(qiáng)度熱作模具鋼。表 1 為常用熱作模具鋼舉例。 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 、 長壽命要求的高性能壓鑄模、擠壓模等 。 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。 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。因此，模具技術(shù)是鋁合金輪轂生產(chǎn)的核心技術(shù)。 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(duì)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 。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。 此外本課題還對(duì) H13 鋼的表面處理工藝進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn) 研究，并得 出對(duì) 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。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。 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 ）。經(jīng) 880～ 900℃退火后 ,一般硬度為 207～229HBS,加工性能比較好。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。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。用 3Cr2W8V 或 4Cr5MoV1Si 鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。由此造成的膨脹和收縮若受到約束時(shí)，在零件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力（又稱溫差應(yīng)力）。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(dòng)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。 （ 5） 材料的塑性差，易出現(xiàn)熱疲勞。當(dāng)模具的某個(gè)部位所受的應(yīng)力超過了當(dāng)時(shí)溫度下模具材料的屈服極限時(shí) , 就會(huì)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，對(duì) 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。 C 含量增高，可導(dǎo)致鋼的塑性和韌性明顯降低。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(shí)，也容易因?yàn)樵诨鼗疬^程中沉淀碳化物而產(chǎn)生二次硬化。 Co 能融入某些混合型碳化物和中間相（如馬氏體時(shí)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(shí) 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。 N 是奧氏體穩(wěn)定化元素，對(duì)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。其主要目的是提純金屬并獲得潔凈組織均勻致密的鋼錠。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。 本論文實(shí)驗(yàn)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℃。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。有缺口 實(shí)驗(yàn)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(yàn) 數(shù)據(jù)離散相當(dāng)大。 實(shí)驗(yàn) 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(duì) 實(shí)驗(yàn) 結(jié) 果的影響。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 15mm 的試樣。對(duì)于稱重的試樣， 實(shí)驗(yàn) 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。沖擊韌性實(shí)驗(yàn)在 JBNS500 型沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取 35 個(gè)試樣的平均值 作為測試結(jié)果 。18 最后測定以上試樣的室溫硬度。鋼在加熱或冷卻時(shí)，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)?？梢愿鶕?jù)鋼的 C 曲線圖形，計(jì)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(jì)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(jí)淬火的等溫范圍的 主要參數(shù)的依據(jù)。 奧氏體化溫度 1010℃。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。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。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。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。 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(shí)應(yīng)盡快回火，這對(duì)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(shí)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，在回火加熱和冷卻時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行。 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由圖 36可見，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。 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。 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。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。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。 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致密， 顆粒清晰可見，但有大顆粒存在；通過比較圖 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。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。/(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。 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)來評(píng)價(jià)。當(dāng)磨痕中鋁選擇性氧化生成 Al2O3 在摩擦過程中起潤滑作用時(shí)，摩擦系數(shù)開始降低。但是 CrN 在 560℃時(shí)開始氧化，因而國內(nèi)外研究人員在磁控濺射 CrN