【文章內(nèi)容簡介】 具有高的淬透性，在空冷條件下既能獲得馬氏體組織，但在 800~600℃緩冷或冷卻速度不夠時有二次氮化物沿晶界析出的傾向，會增加模具的脆性； 并且在貝氏體轉(zhuǎn)變 溫度（ 400~200℃）時會得到不希望出現(xiàn)的貝氏體組織；因此為了獲 得滿意的使用壽命，且減少工件表面與心部的溫差，從而有效減少淬火變形，大型復(fù)雜 的壓鑄模工件多采用分級淬火工藝： 600℃、 800℃二級預(yù)熱， 1020℃加熱淬火，氣冷至 工件表面溫度 400177。 50℃時分級，通過調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使工件表面在此范圍內(nèi)停留 30min， 快速冷卻至表面 200℃后緩冷。分級淬火方法減少大型壓鑄模具熱處理微變形工藝問題 后，可節(jié)約熱處理后的后續(xù)加工費用，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著 【 10】 回火 H13 鋼的淬 火組織是板條馬氏體 +未溶碳化物 +殘余奧氏體，為了減少殘余奧氏體，消除殘余應(yīng)力，并使馬氏體韌化必須進行 2~3 次高溫回火。通常淬火后的模具溫度在低于 70℃時就應(yīng)盡快回火；回火處理時，加熱和冷卻都應(yīng)緩慢進行，常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 9頁 共 37頁 以避免重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 一般國內(nèi)外熱擠壓模具鋼 H13 鋼都采用 540~650℃的高溫回火，以提高模具的韌性，但高溫回火易使熱擠壓模具發(fā)生熱磨損從而失效。實踐證明， H13 鋼采用 350℃左右的中低溫回火后，心部具有較好的強韌配合和熱疲勞性能，同時可不出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象 【 11】。殘余奧氏體的存在可 使材料在斷裂時吸收更多的能量，并改變裂紋的擴展方向及裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，從而提高鋼的韌性。如圖 H13 鋼在 425~520℃范圍內(nèi)回火時在出現(xiàn)二次硬化的同時出現(xiàn)回火脆性，沖擊韌性也顯著降低。關(guān)于回火脆性，大部分研究解釋為馬氏體條間析出較大的碳化物，以及殘余奧氏體的分解所導(dǎo)致 【 12】。所以 H13 鋼回火時應(yīng)避免在回火脆性發(fā)展區(qū)內(nèi)進行。 H13 鋼回火組織為回火馬氏體 +少量粒狀碳化物，低于 600℃回火的組織仍保持馬氏體板條形態(tài)；當(dāng)回火溫度高于 650℃時，馬氏體形態(tài)消失，組織為回火索氏體。 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 10頁 共 37頁 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 11頁 共 37頁 H13 鋼的回火后的最終熱處理組織是：回火馬氏體 +少量粒狀碳化物，低于 600℃回火時仍保持馬氏體板條狀；當(dāng)回火溫度高于 650℃時，馬氏體形態(tài)會逐漸消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，引起 H13 鋼強熱性的嚴(yán)重惡化。因此說， H13 鋼是一種性能優(yōu)異的中溫（ 600℃）熱擠壓模具鋼。 H13 鋼的表面處理方法 模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強度和韌性的合理配合外，其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。這些表面性能指：耐磨損性能、耐腐蝕性能、摩擦 系數(shù)、疲勞性能等。這些性能的改善，單純依賴集體材料的改進和提高是非常有限的，也是不經(jīng)濟的，而通過表面處理技術(shù)，往往可以收到事半功倍的效果，這也是表面處理技術(shù)得到迅速發(fā)展的真正原因。模具的表面處理技術(shù)，是通過表面涂覆、表面改性或復(fù)合技術(shù)，改變模具表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。為了更好的改善 H13 鋼的表面性能， 1985 年瑞士的 等人對 H13 鋼的表面進行了離子滲氮處理。隨后出現(xiàn)了許多針對 H13 鋼表面的處理方法。這些方法主要集中在表面改性 和表面鍍層。 鋼常用的表面改性方法 下面是近年來對 H13 鋼表面改性的常用方法： （ 1）表面低溫化學(xué)熱處理低溫化學(xué)熱處理可以提高 H13 鋼的抗熱疲勞、耐熱磨損和耐蝕性能，而且工藝成本低廉，故應(yīng)用廣泛。常用的工藝有滲氮 (氣體滲氮和離子滲氮 )、 NC 共滲以及多元共滲等 【 15】。 氣體滲氮：氣體滲氮介質(zhì)通常是氨或者氨與氮的混合物。氨分解率對滲氮層硬度和深度影響較大，主要是在滲氮初期，一般控制滲氮初期幾小時內(nèi)采用較低的氨分解率，而此后采用較高的氨分解率。滲氮層深度與滲氮溫度近似直線關(guān)系，與 滲氮時間遵循拋物線關(guān)系。滲氮熱處理一般需要幾十個小時。離子滲氮：離子滲氮就是在真空中加入含氮元素的氣體，把工件作為陰極，在陰極和陽極間施加高壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電，一方面使工件加熱，另一方面撞擊工件表面使氮向工件內(nèi)部擴散。離子滲氮通常在 300~580℃內(nèi)進行，溫度低，時間短，深層致密，提高了滲氮件的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性能。 H13 鋼中有較多的 Cr、 Mo 等元素，氮化時能生成穩(wěn)定的氮化物并使其彌散分布，有利于提高 H13 鋼的耐磨性、耐蝕性、抗粘結(jié)性及抗熱疲勞性能。實驗表明：在 520℃左右對 H13 鋼進行 以上的離子滲氮處理， 可以得到最佳的滲氮層組成相及表面硬度。 NC 共滲（軟氮化）： H13 鋼由于滲氮，化合物中的相韌性較低，膨脹系數(shù)較大，對熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響。而 NC 共滲時，由于 C 在ε相中的溶解度高，軟氮化的表層是 C、 N 共同的化合物，這種化合物韌性好切耐磨。軟氮化溫度在 565℃以下附近較好，既能保證滲速，又能使形成的ε +γ’相所需的 N 濃度較高，可以在表層形成ε之前有更多的 N 深入基體，這樣在第二階段 N 原子擴散時，有利于形成合理的擴散層。軟氮化時間以 2~4h 為宜超過 6h，滲層不再常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 12頁 共 37頁 增加，硬度在 2~3h 達到最大值。多元共滲：比較典型的多元共滲工藝為 C、 N、O、 S、 B 五元共滲。 H13 鋼 870℃預(yù)熱， 1040℃真空油冷淬火至 150℃出爐， 590℃二次回火，硬度為 48~52HRC。然后進行多元滲，共滲后滲層深度為 硬度為 58~62HRC。 H13 鋼經(jīng)五元共滲后，在工件表面形成硼化物、氮化物和碳化物，起到彌散強化作用，對比實驗表明，硬化效果比氣體滲氮要好，硬度下降平緩，紅硬性、耐磨性明顯提高。雖然熱疲勞裂紋起源較早，但不向縱深擴展 ，因而也改善了熱疲勞抗力。與普通滲氮相比，使用壽命提高 5~6 倍。 （ 2）高能束流表面處理 激光表面處理： H13 鋼經(jīng)激光淬火，表面硬度可達 62HRC 【 16】。由于得到以超細(xì)化高密度為錯型馬氏體為主的組織，以及激光加熱后自回火過程中析出的彌散氮化物，使得淬硬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高。激光熔覆技術(shù)通過在模具表面覆蓋一層具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。通過熔覆一層 Co 基合金（﹥ 40%Co+多量 Cr、 Ni 等元素），可得到逼 H13 鋼好得多的高溫硬度、熱疲勞抗力及抗循環(huán) 軟化能力 【 17】。 高能束表面合金化：高能束表面合金化是近年來發(fā)展的新興技術(shù)，主要能源是激光束和電子束。對于 H13 鋼模具先在電弧離子鍍設(shè)備上沉積一層鋁膜，然后采用電子束輻照處理技術(shù)，在真空條件下對模具表面進行 15 次轟擊處理。鋁在微秒級脈寬電子束的作用下瞬時加熱到高溫，溶入機體表面，實現(xiàn)表面的鋁合金化，靠金屬基體良好的導(dǎo)熱性快速冷卻。同時，脈沖電子束在基體表面還會產(chǎn)生沖擊波及沖擊振動效應(yīng)，使表面形成壓應(yīng)力。這樣復(fù)合處理后，在模具表面產(chǎn)生約 10um 左右的致密氧化膜。有效地改善了模具表面的抗氧化能力 、熱疲勞抗力、耐磨性等力學(xué)性能 (3)離子注入表面改性處理一些金屬離子（如 Ti+、 W+、Mo+等）注入 H13 鋼后，可使鋼的表面硬度提高 40% 以上，摩擦系數(shù)降低 40%~80%，耐磨性提高幾至幾十倍，耐蝕性和抗高溫氧化性能都有顯著提高。 氮化層的組成 模具的表面強化是采用滲氮技術(shù)較早，也是應(yīng)用最廣泛的。 H13 鋼中有較多的 Cr、 Mo 等元素，氮化時能生成穩(wěn)定的氮化物并使其彌散分布，有利于提高 H13 鋼的耐磨性、耐蝕性、抗粘結(jié)性及抗熱疲勞性能。氮化層由表面的氮化層和次表面的擴散層構(gòu)成。氮 化層：主要由ε相（ Fe2N 為基體的固溶體）和γ’相 (Fe4N 為基體的固溶體 )組成，ε相和γ’相硬度高，而且形成的化合物層致密，具有很好的耐磨性。ε相具有較高的電位， 它的抗腐蝕性能較穩(wěn)定。因而該層的主要作用是對抗磨損和腐蝕。擴散層：固溶在鐵素體內(nèi)的 Mo、 V、 Cr 等元素與氮具有較強的親和力，滲氮時與氮生成多種合金氮化物，顯著提高滲氮層的硬度，且形成的各種氮化物相的比溶比鐵大， 滲氮后表面形成了較大的殘余壓應(yīng)力，可以抵消部分外加拉應(yīng)力，使?jié)B層疲勞強度顯著 提高。因而該層的主要作用是耐疲勞。 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 13頁 共 37頁 滲氮處理常見的缺陷 滲氮處理常見的缺陷 【 18】主要有： （ 1）滲氮層硬度偏低 主要原因是鋼的化學(xué)成分不符或混料等導(dǎo)致滲氮模具表層含氮量不足；鋼件未經(jīng)調(diào)制預(yù)處理，未獲得氮化前所需細(xì)密的回火索氏體組織。或雖經(jīng)調(diào)制處理，但基體組織硬度低，滲氮硬化層如附在薄冰上。 （ 2）滲氮層淺 主要原因是滲氮爐的有效加熱區(qū)間溫差大，且不均勻；鋼件表面有污物、銹跡和氧化物等 （ 3）滲氮層硬度不均，有軟點 原因，原材料化學(xué)成分不均，偏析嚴(yán)重，晶粒粗大，奧氏體呈長條狀，鐵素體呈大塊狀和鋼中有害雜質(zhì)含量超標(biāo)，導(dǎo)致最終淬火生成粗馬氏體和 未溶解低硬度塊狀鐵素體。調(diào)制回火溫度過高，造成基體硬度偏低等。 （ 4）氮化模具表面氧化 模具經(jīng)氮化后正常顏色是無光澤銀灰色，若表面出現(xiàn)藍色、黃色或其他顏色，表明以被氧化，即影響外觀，又會影響表面硬度和耐磨性。原因主要是滲氮罐與爐蓋密封不嚴(yán)。 （ 5）滲氮層脆性大、起泡剝落有裂紋 原因，原材料有帶狀組織和非金屬夾雜物嚴(yán)重超標(biāo)；模具設(shè)計不當(dāng)，形狀復(fù)雜，厚薄不均，有較多尖銳邊角，和表面積過大，活性 N 原子從都方面同時深入，氮濃度高，形成167。脆性相，結(jié)合不牢；因167。相濃度大，滲層陡，大大削弱了氮化層與基體結(jié)合力，易起泡 ，在外力和滲后因冷速過大，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力共同作用下，引起氮化層剝落和產(chǎn)生裂紋。 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文 第 14頁 共 37頁 本論文的研究目的及內(nèi)容 本論文的研究目的 (1)本文通過觀察熱擠壓模具 H13 鋼的氮化層組織，測量氮化層的硬度來分析該 H13鋼的失效問題。并通過 x 射線衍射相分析 ,分析其性能。 （ 2）研究 H13 鋼滲氮前的熱處理工藝，通過金相實驗觀察不同情況下的淬火 +回火組織，并測量其硬度。通過比較在不同的介質(zhì)和回火溫度下得到的顯微組織和硬度，找到較好的熱處理方法。 本文的研究內(nèi)容 (1) H13 鋼氮化層檢測和失效分析 對從熱擠壓模具 H13 鋼上截取的試樣進行金相處理，并觀察顯微組織，測量硬度。 通過對 H13 鋼組織觀察和硬度測試結(jié)果的分析來研究氮化層組織和性能，并進行失效分析。 (2) 淬火和回火對 H13 鋼組織性能的影響的研究 將 H13 鋼