【導(dǎo)讀】數(shù)2～3次，2h/次。同時(shí)，氮化H13+CrAlN和H13+CrAlN在600℃高溫摩擦。實(shí)驗(yàn)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。

　　

【正文】 中的變形率反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，這說明此時(shí) H13 鋼內(nèi)部的應(yīng)力得到了充分釋放 。回火過程的應(yīng) 力釋放對于降低模具鋼在后續(xù)機(jī)械加工和使用過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象相對有利。 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 。 表 32 H13(4Cr5MoSiV1)鋼最終熱處理后室溫 力學(xué) 性能 試樣號 機(jī)械性能 σ b MPa δ % ψ % aK MPam 1 1655 2 1694 3 1276 4 1779 5 1786 6 1359 7 1831 8 1803 9 1399 27 圖 36 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的強(qiáng)度 σ b 第一次回火：為 了避免坯料開裂，回火時(shí)應(yīng)加熱均勻，先把坯料加熱到 380～ 400℃ 保溫 1小時(shí)左右，在升溫到 580℃ 保溫 2 小時(shí)， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 在 500℃ 左右屬回火脆性，故選擇既避開了脆性由有利獲得盡量高回火硬度的回火溫度。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。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。 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。淬火后三次高溫回火，使馬氏體和殘余奧氏體發(fā)生分解獲得回火索氏體基體，同時(shí)碳化物充分析出，產(chǎn)生彌散二次硬化效果?；鼗鸷笥屠?，以防止高溫回火脆性的產(chǎn)生。 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。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。 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和合金元素以得到高的硬度，又要保證奧28 氏體晶粒大于或等于 9 級，以保證足夠的韌性。 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。 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。 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 37 可知，隨著淬火溫度的提高，鋼在相同回火溫度條件下，塑性指標(biāo)有所變化，但主要受回火溫度的控制。 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 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。 由 圖 38 可以看出，鋼的沖擊韌性對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。實(shí)驗(yàn)條件下，鋼的韌性指標(biāo)滿足熱作模具性能要求，提高回火溫度 (如 ≥620℃ 三次回火 )，強(qiáng)度大大降低，而韌性并不增加。 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。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。 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。鋼經(jīng)淬火后，隨著回火溫度的提高，硬度降低，但在加入了較多的合金元素的情況下（高合金鋼），在較高溫度下回火，鋼仍可保持較高的硬度和耐磨性 。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。 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。通常以鋼的回火溫度 硬度曲線來表示，硬度下降慢則表示回火穩(wěn)定性高或回火抗力大?；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?；鼗饡?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。這些回火組織比馬氏體硬度要低。因此回火后硬度強(qiáng)度會(huì)下降。回火穩(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。 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大，形成堅(jiān)硬的碳化物以及阻礙相的回復(fù)再結(jié)晶。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。也就是所說的鋼的抗回火的穩(wěn)定性。 合金鋼回火穩(wěn)定性較高，一般是有利的。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。 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，這對提高熱作模具的耐磨性非常有利。 推薦的回火規(guī)范 綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 經(jīng) 1020～ 1050℃淬火油冷后，綜合力學(xué)性能較高的回火溫度范圍是 560～ 580℃，同時(shí)，為有效消除模具熱處理過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，應(yīng)對 H13 鋼制造的模具進(jìn)行至少 2 次回火，必要時(shí)需進(jìn)行 3次回火， 高溫回火 易使熱作模具發(fā)生熱磨損和堆塌失效，適當(dāng)降低回火溫度將提高模具的熱疲勞性能 ， 第二次回火溫度 可 比第一次低 20℃ ，以達(dá)到模具最終使用硬度要求范圍。 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 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。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。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。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。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。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。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。 CrN 具有優(yōu)良的耐蝕、抗氧化性能和低殘余應(yīng)力，已經(jīng)成功地用于刀具、磨擦部件、部分壓鑄模具的表面處理中。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 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℃。為了提高基體硬度，本實(shí)驗(yàn)采用了對 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 。 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。 34 由圖 313 可知，高溫摩擦磨損條件下 H13 鋼的摩擦系數(shù)很小，主要是由于金屬在高溫時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)；在摩擦界 面 上出現(xiàn)了氧化物所致。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。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。而氮化 H13+CrAlN 表面膜層摩擦?xí)r因?yàn)槟?/基結(jié)合力較?。y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 313 H13 鋼、 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 在 600℃時(shí)的摩擦系數(shù) H13+CrAlN 試樣在 600℃摩擦開始時(shí) ,受 硬質(zhì)膜層和大顆粒晶粒的影響，摩擦系數(shù)逐漸增大。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。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。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。 35 從圖 314(a)可知， H13 鋼摩擦表面有明顯的犁溝，說明摩擦副滑動(dòng)時(shí)使 H13 鋼表面受到擠壓向兩側(cè)隆起產(chǎn)生塑性變形，多次滑行產(chǎn)生微觀犁屑，在 600℃的高溫條件下膜層伴 隨有氧化磨損。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。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。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)對硬化表面產(chǎn)生的微觀切 削 作用。此時(shí)存在微觀犁削與膜層氧化磨損的同時(shí)還伴隨有硬質(zhì)顆粒對基體表面的微觀切削磨損。 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)來評價(jià)。H13 鋼的磨損率為 10－ 3mm179。/(N m)， H13+CrAlN 的磨損率為 10－ 3mm179。/(N m)，氮化 H13+CrAlN 的磨損率為 10－ 3mm179。/(N?m)。通過計(jì)算其倒數(shù)值后比較可知， H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 的表面耐磨性分別是試樣 H13 鋼表面的 7 倍和 倍。從中可以看出離子氮化雖對基體起到預(yù)先硬化的作用，提高了基體對 CrAlN 薄膜的承載能力，但因膜 /基結(jié)合力較弱，并未對膜層的耐磨性起到支撐作用。 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