【正文】 mm的試樣。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)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。 抗氧化性 實(shí)驗(yàn) 抗氧化性試樣 是在沖擊實(shí)驗(yàn)后的沖擊試樣上截取的 20105 mm 的試樣。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(cè)試結(jié)果 。 金相試樣經(jīng)金相砂紙和拋光機(jī)研磨拋光處理后，采用 4%硝酸酒精溶液來(lái)進(jìn)行腐蝕后觀察。 采用17 D/maxr X 射線衍射儀 （ D/MAX 2500VL/PC， Japan） 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 分析與測(cè)試 設(shè)備及 方法 微觀 組織 分析 采用 DMM— 400C 型 倒置金相 顯微鏡和 掃描電鏡（ JSM6490， Japan）進(jìn)行顯微組織觀察，并通過(guò) INCA X 射線能譜儀 確定稀土化合物、碳氮化合物及氧化物等的組成 。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。6 35。 摩擦磨損 試樣 摩擦磨損 實(shí)驗(yàn) 參照 GB/T124442020《 金屬材料 磨損 實(shí)驗(yàn) 方法 試環(huán) 試塊滑動(dòng)磨損 實(shí)驗(yàn) 》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。最后測(cè)定以上試樣的室溫硬度。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。這對(duì)高精度、大批量連續(xù)生產(chǎn)的熱作模具具有重要意義。最后用單位面積上的增重衡量試樣的抗氧化性能。 實(shí)驗(yàn) 溫度為 750℃，分別保溫 5h、 10h、 20h、 30h、40h、 50h。 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。拉伸試樣標(biāo)距為 27mm，直徑為 8mm，按 GB43382020《 金屬材料高溫拉伸實(shí)驗(yàn) 》 進(jìn)行。 拉 伸 試樣 室溫與高溫拉伸性能是材料常規(guī)性能之一 , 它能直觀地定量表示材料的強(qiáng)度與塑性 , 在模具設(shè)計(jì)中可作為主要參考指標(biāo)。 無(wú)缺口沖擊試樣按照 NADACA ＃ 2072020 標(biāo)準(zhǔn)加工成 : 7mm 10mm 55mm , 無(wú)缺口。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。試樣尺寸為 : 10mm 10mm 55mm , U 形缺口 , R =1mm； U 形缺口室溫沖擊實(shí)驗(yàn) 按 GBT2292020《 夏比擺錘沖擊 實(shí)驗(yàn) 方法 》 進(jìn)行。 U形缺口試樣的沖擊 實(shí)驗(yàn) 在 JB30B 型沖擊 實(shí)驗(yàn) 機(jī)上進(jìn)行。本研究采用的強(qiáng)韌化熱處理工藝方案為： 預(yù)處理 淬火 一次回火 二次回火 三次回火（按需） 試樣的制備 沖擊試樣 韌性的正確含義是阻止已有裂紋在拉伸負(fù)荷作用下擴(kuò)展的能力，不同類型熱作模具在工況條件下都要受到?jīng)_擊載荷作用 , 所差別的是所受載荷大15 小。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。 熱處理 工藝 該論文部分 實(shí)驗(yàn) 利用高壓真空氣淬爐來(lái)進(jìn)行，真空熱處理按照 NODCA 207－ 2020標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 （ 2）等溫球化退火規(guī)范 緩慢加熱， 850870℃ 34h，爐冷至 740760℃ 45h，再爐冷至≤ 550℃出爐空冷，硬度≤ 229HBW，共晶碳化物 等級(jí)≤ 3 級(jí)。 H13 鋼的鍛造溫度取 1100℃ ～ 1160℃ 為宜。 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℃。上升的渣池在結(jié)晶器內(nèi)壁上形成一層薄渣殼，不僅使鋼錠表面光潔，還起絕緣和隔熱作用，使更多的熱量向下部傳導(dǎo) ,有利于鋼錠自下而上的定向結(jié)晶。因?yàn)槭窃阢~制水冷結(jié)晶器內(nèi)熔化、精煉、凝固的，這就杜絕了耐火材料對(duì)鋼的污染。鋼中有害元素（硫、鉛、銻、鉍、錫）通過(guò)鋼 渣反應(yīng)和高溫氣化比較有效地去除。在通電過(guò)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(guò)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。 電渣重熔的基本過(guò)程 ： 在銅制水冷結(jié)晶器內(nèi)盛有熔融的爐渣，自耗電極一端插入熔渣內(nèi)。電渣熔鑄 工藝從根本上解決了一般鑄造工藝的主要矛盾，它綜合了電渣重溶 獲得高冶金質(zhì)量的金屬和鑄造 澆鑄異型零件精化毛坯的長(zhǎng)處，并具有與普通冶煉的變形金屬相近的致密組織以及無(wú)各向異性的特點(diǎn)。電渣鋼的鑄態(tài)機(jī)械性能可達(dá)到或超過(guò)同鋼種鍛件的指標(biāo)。其主要目的是提純金屬并獲得潔凈組織均勻致密的鋼錠。 12 表 22 H13 模 具鋼 各國(guó)鋼號(hào)對(duì)照 中國(guó) 中國(guó)臺(tái)灣 美國(guó) 德國(guó) 英國(guó) 瑞典 韓國(guó) 日本 GB ISC CNS ASTM DIN BS SS14 KS JIS Cr5MoSiV1 T20502 SKD61 H13 X40CrMoV51 BH13 SKD61 SKD61 圖 21 主要冶煉生產(chǎn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn) 鋼的整個(gè)制備工藝可概況為：中頻冶煉 — 電渣重熔 — 鍛造 — 球化退火。 C 含量屬低中碳，以保證鋼淬火、回火后的強(qiáng)硬性，同時(shí)使鋼有好的導(dǎo)熱性和較高的沖擊韌性； Mo 提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，減少或抑制回火脆性； Si 增加鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，提高基體強(qiáng)度； V 細(xì)化晶粒，提高淬透性。生產(chǎn)工模具鋼是必須嚴(yán)格控制 S 和 P 含量，盡量降低 S 和 P 對(duì)工模具鋼性能的損害。 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?？商岣邷匮趸沽?，特別是在溫度周期性變化的條件下降低氧化皮剝落傾向；由于能與硫和氧結(jié)合提高熱加工性，但過(guò)量時(shí)會(huì)引起熱脆。 Nb、 Ti、 Ta 和 Zr 可形成高溫度碳化物、氮化物或碳氮化合物 MX（ X為 C 或 N）；可與 C 和 N 結(jié)合幾乎不單獨(dú)存在于固溶體中（無(wú)間隙原子鋼和穩(wěn)定的不銹鋼 )；提高不銹鋼的晶間腐蝕抗力；其碳化物細(xì)化鑄態(tài)晶粒 ，但在某些條件下會(huì)引起脆性；要求較高的奧氏體化溫度，由于減少奧氏體中固溶的碳而提高 Ms 溫度；回火過(guò)程中產(chǎn)生二次硬化；延遲回復(fù)和再結(jié)晶發(fā)生；低溫下由于中間相析出而強(qiáng)化鐵素體。通常， Ni是不銹鋼中重要的合金元素。 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(zhǎng)大速度。 Si是非碳化物形成元素，組織貝氏體碳化物的形成，但能提高回火時(shí)析出特殊碳化物的彌散度，適量加入 Si還可以改善鋼的韌性。 Si在鋼中含量通常為 %～ %，影響很小；高含量（ %～ 3%）時(shí)，能改善鋼的高溫抗氧化性和抗腐蝕能力。 V 可在鋼中形成高穩(wěn)定碳化物、氮化物和碳氮化物 MX（ X 為 C 或 N），VC 的硬度很高，并且為了溶解碳化物第二相，要求較高的奧氏體化溫度，細(xì)小彌散分布的 VC 顆粒可促進(jìn)鋼的二次硬化效果和抗回火軟化能力，提高鋼的熱穩(wěn)定性。但是， Mo 或 W 加入過(guò)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^(guò)程中沉淀碳化物而產(chǎn)生二次硬化。 Mo 與 W 對(duì)工模具鋼都有很強(qiáng)的強(qiáng)化效應(yīng)，可形成 M2C、 MC 等碳化物，還能形成中間金屬化合物和穩(wěn)定化σ相； Mo 是提高淬透性的高效元素， Mo的加入，可提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，并防止第二類回火脆性。較好的切削加工性。在材料韌性可滿足使用要求時(shí)，選擇偏高的含 C 量可獲得更高的硬度和淬透性。 C 含量增高，可導(dǎo)致鋼的塑性和韌性明顯降低。 表 21 H13 模 具鋼化學(xué)成分范圍（ wt.％） C Si Mn P S Cr Mo V ~ ~ ~ ≤ ≤ ~ ~ ~ 合金元素對(duì)工模具鋼的合金化作用非常復(fù)雜，工模具鋼的不同性能正是通過(guò)不同合金元素在鋼中產(chǎn)生不同合金化作用而產(chǎn)生，合金鋼成分的設(shè)計(jì)要綜合考慮合金元素在鋼中的交互作用，通常要利用三元或多元合金相圖來(lái)了解平衡狀態(tài)下的相變 化，但研究某一合金元素對(duì)鋼性能的影響，可以采用在一定條件下變化合金元素含量來(lái)確定其對(duì)性能的影響。 需要注意的是，產(chǎn)品坯料交貨時(shí)表面帶有黑色氧化皮的棒料或者方坯，在制備 實(shí)驗(yàn) 所需試樣時(shí)，需通過(guò)機(jī)械加工方式去除表面氧化皮部分，并在 實(shí)驗(yàn) 產(chǎn)品坯料的中間部分取樣，以免因氧化皮及坯料表面脫碳影響 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果，造成測(cè)試結(jié)果的偏差，并由此得出不合實(shí)際的 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T12992020《 合金工具鋼》中規(guī)定的 H13（ 4Cr5MoSiV1）的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分，采用 2T 中頻感應(yīng)電爐，鋼包底部吹氬，出鋼后澆鑄成電極棒，接電渣重熔方法精煉，經(jīng)改鍛加工 及 球化 退火處理，獲得本 實(shí)驗(yàn)所需產(chǎn)品 坯料 。 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。4Cr5MoSiV1 鋼 的熱處理工藝包括坯料鍛造后鍛熱調(diào)質(zhì)預(yù)處理、去應(yīng)力退火處理、淬火處理、回火處理、成型零部件的表面強(qiáng)化處理等，在制定其熱處理工藝時(shí)，采用變形小、表面質(zhì)量好的熱處理，有利提高模具壽命。在高溫下服役的模具 , 其屈服過(guò)程 是在較高溫度下進(jìn)行的 , 是否產(chǎn)生塑性變形 , 主要取決于模具的工作溫度和模具材料的高溫強(qiáng)度 [17]。 模具的塑性變形 , 是模具金屬材料的屈服過(guò)程。當(dāng)模具的某個(gè)部位所受的應(yīng)力超過(guò)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。 塑性 變形 塑性變形是物質(zhì) 包括流體及固體在一定的條件下，在外力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng) 施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。 此外鋁充填到裂紋之中與裂紋壁產(chǎn)生機(jī)械作用，并與熱應(yīng)力疊加，加劇裂紋尖端的拉應(yīng)力，從而加快了裂紋的擴(kuò)展。 侵蝕或沖刷 侵蝕或沖刷是由于機(jī)械和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。 （ 5） 材料的塑性差，易出現(xiàn)熱疲勞。 （ 3） 晶粒粗大且不均勻，易出現(xiàn)熱疲勞。 熱疲勞的主要影響因素包括： （ 1） 環(huán)境的溫度梯度及變化頻率越大越易產(chǎn)生熱疲勞。Caliskanoglu D 等發(fā)現(xiàn)裂紋常萌生于樹枝晶間的碳化物處 [11]，另外，研究發(fā)現(xiàn)晶界上的碳化物是空洞形核的策源地 [12]，但細(xì)小碳化物對(duì)晶粒長(zhǎng)7 大及裂紋的擴(kuò)展起阻礙作用 [13]， Lars Lundberg 指出碳化物等沉淀物的析出將引起鋼的循環(huán)硬化效應(yīng) 。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。 熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處，當(dāng)裂紋形成后，應(yīng)力重新分布，裂紋發(fā)展到一定長(zhǎng)度時(shí)，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛使裂紋停止擴(kuò)展。 熱疲勞的典型特征包括 典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀 ；裂紋走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂紋端部較尖銳，裂紋內(nèi)有或充滿氧化物 ； 宏觀斷口呈灰色，并為氧化物覆蓋 ； 裂紋源于表面，裂紋擴(kuò)展深度與應(yīng)力、時(shí)間及溫差變化相對(duì)應(yīng)。塑性材料抗熱應(yīng)變的能力較強(qiáng)，故不易發(fā)生熱疲勞。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）。 鑄造模具鋼的失效形式 熱疲勞 金屬材料由于溫度梯度循環(huán)引起的熱應(yīng)力循環(huán)（或熱應(yīng)變循環(huán)），而產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象，稱為熱疲勞。用 HD 鋼制造6 的銅合金管材擠壓底模和穿孔針的使用壽命較 3Cr2W8V 鋼提高一倍左右，并在軸承環(huán)熱擠沖頭和凹模、汽門擠壓底模上也有成功應(yīng)用的例子。在此背景下，國(guó)內(nèi)有關(guān)大學(xué)、研究院所和鋼廠先后推出了可以提高此類模具使用壽命的鋼種。用 3Cr2W8V 或 4Cr5MoV1Si 鋼制作此類模具，模具的使用壽命一直較低。該鋼還可用于制造工作溫度在 600℃ 以下的中小熱鍛等模具。國(guó)內(nèi)為此先后開發(fā)了幾個(gè) 新型模具鋼，如 4Cr3Mo2MnVNbB（代號(hào) Y4）和 4Cr5Mo2MnVSi（代號(hào) Y10）等。 （ 3） 壓鑄模具鋼 在有色金屬壓鑄中， 3Cr2W8V 曾是應(yīng)用廣泛的模具鋼， 5CrNiMo、5CrMnMo、 3Cr2Mo 等中碳低合金鋼也作為鋁鋅合金壓鑄模具鋼使用。另外，該鋼還可作塑料模具鋼使用。因此，鋼的淬透性高，淬火加熱溫度范圍寬，過(guò)熱敏感性低，具有 優(yōu)良的高溫性能 ，用于制造不銹鋼（ 2Crl3）等熱鍛模，軸承凹模 和輥鍛模，都取得了良好的使用效果。這二種鋼中加人了 3%左右的 Mo，既能提高鋼的淬透性和防止出現(xiàn)回火脆性，又能提高鋼的熱穩(wěn)定性。另外，鋼的熱磨損性、熱疲勞性及抗熱裂紋擴(kuò)展的能力也強(qiáng)于 5CrNiMo。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。 （ 1） 大截面熱鍛模具鋼 為彌補(bǔ) 5CrMnMo 和 5CrNiMo 在較大截面和較高溫度時(shí)熱穩(wěn)定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷， 開發(fā)了 45Cr2NiMoVSi（簡(jiǎn)稱 45Cr2）、5Cr2NiMoVSi（簡(jiǎn)稱 5Cr2）、 3Cr2MoW