【正文】 通過計算其倒數(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。 m)， H13+CrAlN 的磨損率為 10－ 3mm179。此時存在微觀犁削與膜層氧化磨損的同時還伴隨有硬質(zhì)顆粒對基體表面的微觀切削磨損。 35 從圖 314(a)可知， H13 鋼摩擦表面有明顯的犁溝，說明摩擦副滑動時使 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。 圖 313 H13 鋼、 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 在 600℃時的摩擦系數(shù) H13+CrAlN 試樣在 600℃摩擦開始時 ,受 硬質(zhì)膜層和大顆粒晶粒的影響，摩擦系數(shù)逐漸增大。 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發(fā)生氧化反應；在摩擦界 面 上出現(xiàn)了氧化物所致。 CrN 具有優(yōu)良的耐蝕、抗氧化性能和低殘余應力，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。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。 推薦的回火規(guī)范 綜合上述實驗結(jié)果與分析， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 經(jīng) 1020～ 1050℃淬火油冷后，綜合力學性能較高的回火溫度范圍是 560～ 580℃，同時，為有效消除模具熱處理過程中產(chǎn)生的組織應力和熱應力，應對 H13 鋼制造的模具進行至少 2 次回火，必要時需進行 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℃ ，以達到模具最終使用硬度要求范圍。也就是所說的鋼的抗回火的穩(wěn)定性。因此回火后硬度強度會下降。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。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 。實驗條件下，鋼的韌性指標滿足熱作模具性能要求，提高回火溫度 (如 ≥620℃ 三次回火 )，強度大大降低，而韌性并不增加。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，塑性指標有所變化，但主要受回火溫度的控制。 實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。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，同時碳化物充分析出，產(chǎn)生彌散二次硬化效果。m 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)淬火回火后的強度 σ b 第一次回火：為 了避免坯料開裂，回火時應加熱均勻，先把坯料加熱到 380～ 400℃ 保溫 1小時左右，在升溫到 580℃ 保溫 2 小時， 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。在回火過程中，熱作模具鋼的內(nèi)部組織應力和熱應力被逐漸釋放出來，表現(xiàn)在宏觀上的現(xiàn)象即為變形率的高低，當 600℃時，H13 鋼的變形率最高，當 700℃時，鋼中的變形率反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，這說明此時 H13 鋼內(nèi)部的應力得到了充分釋放 。 圖 34 給出了 H13 鋼 1020℃油淬后不同溫度兩次回火后的硬度曲線。 回火次數(shù)選擇為 23 次，回火冷卻介質(zhì)為空氣冷卻?；鼗鹗枪ぜ阌埠蠹訜岬?AC1 以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。因此，在對 H13 鋼坯加熱升溫過程中，應先在 500℃左右和 850℃左右預熱一定時間（根據(jù)模具鋼坯的尺寸控制保溫時間長短） ，以緩解升溫熱應力，避免模具后期應力過大出現(xiàn)開裂失效。而 且此鋼在過冷奧氏體在 400～ 600℃ 之間具有很高的穩(wěn)定性，可長時間保溫而不轉(zhuǎn)變，因而適合分級淬火。加熱后坯料的保溫時間適當延長 (由 30min 增至 60min)，淬火后鋼的硬度將有所提高。 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。 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， 本論文所采取的幾種淬火 溫度分別為 930℃、 950℃、 980℃、 1000℃、 1020℃、 1040℃、1060℃、 1080、 1100℃ ，通過 實驗 結(jié)果來最終確定最佳淬火溫度 ， 冷卻介質(zhì)選擇淬火油油冷。選擇合理的淬火溫度，需要綜合考慮設備、材料、規(guī)格尺寸、冷卻介質(zhì)等多方面因素。 不同淬火工藝對 H13 鋼性能的影響 淬火主要是為了使過冷奧氏體進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，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼前期已有一些研究成果，目前 H1320 （ 4Cr5MoSiV1） 鋼較為完善的 C 曲線已被測定。 H13(4Cr5MoSiV1)鋼是一種空冷硬化的熱作模具鋼，也是所有熱作模具鋼中使用最廣泛的鋼號之一。 C 曲線是將奧氏體過冷到 Ar1 以下，在不同溫度和時間下經(jīng)等溫轉(zhuǎn)變之后得到的各種結(jié)構(gòu)組織的曲線圖。根據(jù)轉(zhuǎn)折點可得出奧氏體轉(zhuǎn)變時的溫度和所需時間。 在本實驗中采用了 HT07135 球 盤式摩擦磨損實驗機，在 600℃，以 Si3N4（直徑為 6 mm，硬度為 2020 HV）為摩擦副，載荷為 5N，速度為 20 cm/s，滑行行程為 400m 的無潤滑條件下進行測試。 摩擦磨損 實驗 摩擦磨損 實驗 是測定材料抵抗磨損能力的一種材料 實驗 。最后用單位面積上的增重衡量試樣的抗氧化性能。 拉伸實驗在 60 噸靜態(tài)拉力 實驗 機上進行，取 35個試樣的平均值作為測試結(jié)果。采用瑞士 ARL4460 光譜分析儀進行化學成分分析。冷卻至室溫后，放入干燥器中， 2h 后立即進行稱重。 摩擦磨損試樣采用的尺寸為 216。 實驗 溫度為 620℃，分別保溫 4h、 6h、 8h、 、 、 和 21h。 圖 23 抗氧化性試樣尺寸示意圖 （ mm） 熱穩(wěn)定性 試樣 熱作模具在高溫高壓的條件下長期工作保持其組織穩(wěn)定性和力學性能的能力 , 將直接影響模具的使用壽命。用坩堝氧化增重法 ,按 YB4864 標準測試。室溫拉伸性能在 EA 10型 實驗 機上測試，按 GB2282020《 金屬材料室溫拉伸 實驗 方法 》 標準進行。 無缺口沖擊韌性往往被視作材料的延展性，延展性是材料在發(fā)生延展斷裂前積累塑性變形的能力，產(chǎn)生開裂前所需的塑性 12d1212d12 應變越多，材料的延展性越高，這對于熱作模具鋼是一項非常重要的性能。擺錘能量 30J。 采用標準電位差計 來 校正 電阻爐 的溫度，其偏差為 ?5℃ ， 部分回火在井式爐進行，其偏差為 ?5℃ 。 14 圖 22 H13 鋼球化退火后金相組織 由圖 22 可知， H13 鋼球化退火后金相顯微組織主要為粒狀珠光體和少量碳化物。 H13 需通過鍛造消除各向異性，鍛后應退火，去除鍛造應力，降低硬度，提 高切削加工性能，改善組織，細化晶粒，為最終熱處理做好準備。鋼錠凝固前，在它的上端有金屬熔池和渣池，起 保溫和補縮作用，保證鋼錠的致密性。在電極端頭液滴形成階段 ,以及液滴穿過渣池滴落階段 ,鋼 渣充分接觸，鋼 中非 金屬夾雜物為爐渣所吸收。與普通鍛件相比，電渣熔鑄件的各項性13 能指標完全達到同鋼種的變型金屬指標，甚至還避免了鍛件的一些不足之處。經(jīng)電渣重熔的鋼，純度高、含硫低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、潔凈均勻致密、金相組織和化學成分均勻。 Cr、 Mo、 V 屬強碳化物形成元素，高溫回火時由于合金碳化物彌散析出產(chǎn)生二次硬化，在獲得高回火穩(wěn)定性的同時，提高耐磨性、抗熱疲勞性、抗氧化性和沖擊韌性 。 S 和 P 是由原材料帶入的有害元素，溶解度都很低，特別是 S 即使在高溫下，溶解度也很低，限制了有效的強化作用； S 和 P 容易在晶界偏聚，引起鋼熱加工脆性增大。 Y、 Ce、 La 是鐵素體穩(wěn)定化元素，在鋼中溶解度低。 Ni能降低鋼的奧氏體化溫 度，可與 Mo、 Ti和 Al形成 Ni3X 相，產(chǎn)生顯著的沉淀硬化效應； Ni可延遲珠光體轉(zhuǎn)變，因而增加鋼的淬透性； Ni可降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)折溫度。 Si的加入，可提高鋼的淬透性和基體強度。 W 加入過多，將會使鋼的熱 疲勞性能明顯降低，如 HM1 鋼中利用Mo 來替代 W，使其熱疲勞性能明顯優(yōu)于 3Cr2W8V 鋼。過量加入 Cr，對阻礙 VC 析出有阻礙作用，會降低鋼的熱強性，并引起碳化物偏析，降低鋼的沖擊韌性。通常來說，綜合力學性能良好的，一般為中碳鋼。 本 論文 所選用的 H13（ 4Cr5MoSiV1） 模具材料 化學 成分如表 21 所示。 9 第 2章 實驗 方法 實驗 鋼的制備 本文實驗用鋼在成分優(yōu)化實驗過程中采用 5kg 中頻感應電爐，氧化法熔煉工藝熔煉實驗用鋼，當鋼液溫度達到 1600℃時，插入鋁進行脫氧后出鋼，采用沖入法對鋼液進行孕育、變質(zhì)與凈化處理，然后在砂型中澆注楔形試樣。 研究的主要內(nèi)容 合理的熱處理工藝是提高 4Cr5MoSiV1 鋼 使用壽命的關鍵。塑性變形的失效形式表現(xiàn)為鐓粗 , 彎曲、型腔脹大和塌陷等。提高材料的高溫強度和化學穩(wěn)定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。 （ 6） 零件的幾何結(jié)構(gòu)對金屬的膨脹和收縮的約束 作用大，易出現(xiàn)熱疲勞 。 （ 2） 熱膨脹系數(shù)不同的材料組合時，易出現(xiàn)熱疲勞。 熱疲勞裂紋總是在塑性變形最大的地方產(chǎn)生 [10]，常在以下情況萌生：塑性應變集中處、第二相的脆斷與基體的開裂處、高溫氧化處、點蝕坑及夾雜物。 熱疲勞是壓鑄模具最常見的失效形式 [69]。溫度反復變化，熱應力也隨著反復變化，從而使材料受到疲勞損傷。用 Y4鋼制造銅合金擠壓模底模和穿孔針頂頭，模具的使用壽命也比 3Cr2W8V 鋼制造的模具穩(wěn)定地提高一倍以上。國內(nèi)曾試圖采用奧氏體熱作模具鋼來解決此類模具壽命低的問題，但因鋼的冷熱疲勞性能較差而仍未得到圓滿解決。 4Cr5Mo2MnVSi（代號 Y10），是針對鋁合金壓鑄模具而研制的，與3Cr2W8V 鋼相比，該鋼具有抗冷熱疲勞性能好、熱處理變形小、抗鋁溶損性能好等優(yōu)點，模具的使用壽命普遍比 3Cr2W8V 鋼制造的模具的使用壽命提高一倍以上。 4Cr5MoV1Si 鋼的優(yōu)良性能已在國內(nèi)得到了廣泛認可，應用量已較大。加人 V 和 Nb 則可起到細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性作用。 45Cr2 和 5Cr2 還具有二次硬化能力，它們的高溫強度較 5CrNiMo 鋼高 50%，熱穩(wěn)定性高出 100～ 150℃ ，沖擊 韌性則相當。 為適應壓力加工新技術(shù)、新設備對模具材料在強韌性和熱穩(wěn)定性方面的高要求，國內(nèi)外研制了許多新型熱作模具鋼，正在生產(chǎn)中發(fā)揮著作用。但由于鋼的含鉻量比較高 , 不太利于切削 [12]。 主要適用于鋁合金熱擠壓模具、壓鑄模具、模鍛錘鍛模、壓力機鍛模等，在銅合金鍛造模具上也可適當使用 。瑞典 8407 具有優(yōu)良的耐熱沖擊和抗熱疲勞性能、良好的高溫強度、各個方向上優(yōu)異的韌性和延展性、優(yōu)良的淬透性，良好的熱處理尺寸穩(wěn)定性，主要用于各種金屬壓鑄模具、擠壓模具。 3Cr2W8V 的高溫強度較高，但鋼的熱疲勞性較差，韌性也不高，3 用于壓鑄模具和鋁、銅合金熱擠壓模具時，模具的使用壽命都較低。一般說來，影響鋼的熱疲勞性能的因素主要有鋼的導熱性和鋼的臨界點。熱作模具鋼中鎳、鎢、鉬、鉻、釩等不同合金元素的強化作用，可以提高鋼的淬透性和綜合高溫性能，同時賦予熱作模具鋼良好的性能。 （ 3）載荷作用。熱作模具的工作條件主要有以下三方面 : （ 1） 型腔表層金屬受熱。 本課題 可以為實際生產(chǎn)中有效提高模具服役壽命，降低模具 加工和服役過程的 早期失效問題提供必要的依據(jù)。 H13 模具鋼在使用前經(jīng)適當?shù)拇慊?+回火等熱處理 ,可獲得優(yōu)良的綜合性能 ,如具有 良好的熱強性、紅硬性、較高的韌性、抗熱疲勞性和抗熱震性等 ,工作溫度可達 600℃。特別是 1970 年以后大量應用在輪轂上 。 關鍵詞 ： H13 鋼，熱作模具鋼，熱處理 目 錄 第 1 章 緒論 ..........................................................................................................1 選題的背景、目的和意義 ..................................