【正文】 圖 24 微觀分析設(shè)備 力學(xué)性能測(cè)試 采用 HR150A 型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，取 5 點(diǎn)平均值作為測(cè)試結(jié)果。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 。 拉伸實(shí)驗(yàn)在 60 噸靜態(tài)拉力 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。 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。 實(shí)驗(yàn) 溫度為 620℃，分別保溫 5h、 10h、 20h、 30h、 40h、 50h。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(chēng)量試樣的增重。最后用單位面積上的增重衡量試樣的抗氧化性能。 熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 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 15 mm的試樣。 實(shí) 驗(yàn)溫度為 620℃，分別保溫 4h、 6h、 8h、 、 、 和 21h。18 最后測(cè)定以上試樣的室溫硬度。 摩擦磨損 實(shí)驗(yàn) 摩擦磨損 實(shí)驗(yàn) 是測(cè)定材料抵抗磨損能力的一種材料 實(shí)驗(yàn) 。通過(guò)這種 實(shí)驗(yàn) 可以比較材料的耐磨性?xún)?yōu)劣。磨損 實(shí)驗(yàn) 比常規(guī)的材料 實(shí)驗(yàn) 要復(fù)雜。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的 實(shí)驗(yàn) 方法，以便使 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。 在本實(shí)驗(yàn)中采用了 HT07135 球 盤(pán)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，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(wú)潤(rùn)滑條件下進(jìn)行測(cè)試。用 TR240 便攜式表面粗糙度儀測(cè) 得磨痕深度，進(jìn)而獲得磨損體積 V，通過(guò) V/（ N 載荷 *L 滑行距離）獲得膜層磨損率。 19 第 3章 H13熱作模具鋼熱處理工藝優(yōu)化 H13 鋼的 TTT曲線(xiàn) 合金 鋼是一種相變合金，高溫組織及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體）具有不同的比容。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(xiàn)上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可得出奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度和所需時(shí)間。在熱力模擬 實(shí)驗(yàn) 機(jī)上將試樣置入膨脹儀中，加熱到奧氏體化溫度保溫后，以不同的速度連續(xù)冷卻到室溫 。在連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，在膨脹曲線(xiàn)上可記錄相應(yīng)冷卻速度下，轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)。以溫度為縱坐標(biāo)，時(shí)間對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，將相同性質(zhì)的相轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)分別連成曲線(xiàn)，并標(biāo)明最終組織和硬度值以及 Ms 點(diǎn)、 Ac Ac3 點(diǎn)的臨界值。 C 曲線(xiàn)是將奧氏體過(guò)冷到 Ar1 以下，在不同溫度和時(shí)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(xiàn)圖。 C 曲線(xiàn)分四個(gè)區(qū)域， A1 以上為穩(wěn)定的 奧氏體 區(qū)域。 A1 線(xiàn)與 Ms 線(xiàn)之間有三部分，縱坐標(biāo)線(xiàn) 與 a 線(xiàn)之間，為不穩(wěn)定的過(guò)冷奧氏體區(qū)，在 500~600℃時(shí)， a 線(xiàn)距縱坐標(biāo)最近，稱(chēng)為危險(xiǎn)區(qū)，其形狀如鼻，故稱(chēng) C 曲線(xiàn)的鼻部；曲線(xiàn) a 與 b 之間是奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 ——鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物；曲線(xiàn) b 的右邊是奧氏體轉(zhuǎn)變終了所生成的鐵索體與滲碳體的各種混合物組織部分?？梢愿鶕?jù)鋼的 C 曲線(xiàn)圖形，計(jì)算出鋼的臨界冷卻速度；根據(jù) C 曲線(xiàn)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)。 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(hào)之一。該鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，在中溫條件下具有很好的韌性 ?熱疲勞性和一定的耐磨性，不易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，且抗粘結(jié)力強(qiáng)，與熔融金屬相互作用小 ， 而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。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。使用壽命遠(yuǎn)高于第一代模具鋼 5CrNiMo和 3Cr2W8V。 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(xiàn)已被測(cè)定。圖 31 是 H13 鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)， 該圖為我們確立熱處理工藝范圍提供了一定的理論基礎(chǔ)。 圖 31 H13 鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（ TTT 曲線(xiàn)） H13（ 4Cr5MoSiV1）鋼的臨界溫度分別為 Ac1=860℃ 、 Ac3=915℃ 、Ar1=775℃ ， Ar3=815℃ 、 Ms=340℃ 、 Mf=215℃ 。 奧氏體化溫度 1010℃。 不同淬火工藝對(duì) H13 鋼性能的影響 淬火主要是為了使過(guò)冷奧氏體進(jìn)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(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿(mǎn)足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。通常亞共析鋼淬火是將其加熱到 Ac3 以上某一溫度，取 Ac3+（ 30～ 50℃）；過(guò)共析鋼或共析鋼加熱溫度在 Ac1～ Acm 之間，取 Ac1+（ 30 ～ 50℃），大件取上限，細(xì)晶粒鋼有時(shí)取更高溫度。 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。如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時(shí)可選用溫度上限；若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限；同一鋼種的 零件淬火時(shí)若采用冷卻能力大的冷卻劑 (如水淬用氫氧化鈉水，油淬用柴油 )溫度應(yīng)取下21 限，反之則取上限；鹽浴爐速度快、均勻、變形小、脫碳少及加熱時(shí)間短取上限，箱式爐加熱時(shí)間長(zhǎng)應(yīng)取下限。選擇合理的淬火溫度，需要綜合考慮設(shè)備、材料、規(guī)格尺寸、冷卻介質(zhì)等多方面因素。 H13 鋼 淬火溫度范圍的選取 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（過(guò)共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體 1 化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到 Ms 以下（或 Ms 附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 淬火的目的是使過(guò)冷奧氏體進(jìn)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(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿(mǎn)足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)淬火滿(mǎn)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。 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(xiàn)（ TTT 曲線(xiàn)）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(yàn)， 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(guò) 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果來(lái)最終確定最佳淬火溫度 ， 冷卻介質(zhì)選擇淬火油油冷。 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度 圖 32 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線(xiàn) 22 材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱(chēng)為硬度。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)。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。硬度 實(shí) 驗(yàn) 根據(jù)其測(cè)試方法的不同可分為靜壓法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）、劃痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。 淬硬性是指材料在理想條件下淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度。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。 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。金屬晶粒的尺寸 (或晶粒度 )對(duì)其在室溫及高溫下的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，晶粒尺寸的細(xì)化也被作為鋼的熱處理中最重要的強(qiáng)化途徑之一。 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(kāi)裂現(xiàn)象也會(huì)減少。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合金元素以得到高的硬度和紅硬性 ,又要保證奧氏體晶粒度大于或等于 9 級(jí)，以保證足夠的韌性。加熱后坯料的保溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng) (由 30min 增至 60min)，淬火后鋼的硬度將有所提高。 H13 鋼 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線(xiàn) 示于圖 32。H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 的淬火組織是細(xì)針馬氏體 +未溶碳化物 +殘留奧氏體。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。而 且此鋼在過(guò)冷奧氏體在 400～ 600℃ 之間具有很高的穩(wěn)定性，可長(zhǎng)時(shí)間保溫而不轉(zhuǎn)變，因而適合分級(jí)淬火。淬火溫度比退火溫度高， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼在淬火加熱時(shí)，應(yīng)采取措施防止氧化脫碳和燒損。 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(jiàn)表 31。 23 表 31 H13 鋼推薦的淬火 工藝參數(shù) 淬火溫度 /℃ 冷卻 硬度（ HRC） 介質(zhì) 介質(zhì)溫度 /℃ 冷卻到室溫 1020～ 1050 油或空氣 20～ 60 56～ 58 淬火加熱階段的預(yù)熱 ，可避免過(guò)快的加熱速度引起坯料內(nèi)部過(guò)大的熱應(yīng)力 ， 防止模具產(chǎn)生變形 ， 預(yù)熱還有效地促進(jìn)了奧氏體的均勻化。因此，在對(duì) H13 鋼坯加熱升溫過(guò)程中，應(yīng)先在 500℃左右和 850℃左右預(yù)熱一定時(shí)間（根據(jù)模具鋼坯的尺寸控制保溫時(shí)間長(zhǎng)短） ，以緩解升溫?zé)釕?yīng)力，避免模具后期應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)開(kāi)裂失效。 不同回火工藝對(duì) H13 鋼性能的影響 H13 鋼 回火 溫度范圍的選取 鋼的回火是 將經(jīng)過(guò)淬火的工件重新加熱到低 于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝?；?qū)⒋慊鸷蟮暮辖鸸ぜ訜岬竭m當(dāng)溫度，保溫若干時(shí)間，然后緩慢或快速冷卻。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?；鼗鹗枪ぜ阌埠蠹訜岬?AC1 以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火一般緊接著淬火進(jìn)行，其目的是： （ a）消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂； （ b）調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求； （ c）穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度； （ d）改善 和提高加工性能。因此，回火是工件獲得所需性能的最后一道重要工序。 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(xiàn)（ TTT 曲線(xiàn)）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(yàn)，本論文在不超過(guò) 700℃的回火溫度范圍內(nèi) ， 進(jìn)行了多組對(duì)比 實(shí)驗(yàn) ，最終 通過(guò) 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果來(lái)最終確定最佳 回火 溫度。 回火次數(shù)選擇為 23 次，回火冷卻介質(zhì)為空氣冷卻。 24 圖 33 H13 鋼經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的金相顯微組織主要為回火馬氏體 +殘余奧氏體 +少量碳化物，圖 33 給出了 H13 經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織。 這種復(fù)合組織是一種典型組織，大部分熱作模具鋼經(jīng)常規(guī)淬火處理后，鋼中殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，并有少量殘余奧氏體存在，經(jīng)較高溫度回火后，這些淬火馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，消除了部分殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，同時(shí)，淬火過(guò)程未轉(zhuǎn)變完全的殘余奧氏體也會(huì)繼續(xù)部分轉(zhuǎn)化為回火馬氏體，并有少量殘余在最終組織中。 不同溫度 回火 后的 性能測(cè)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。 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(xiàn)。從曲線(xiàn)中看出， H13 鋼在回火過(guò)程中，隨回火溫度的升高，在 500℃左右出現(xiàn)了二次硬化現(xiàn)象，這可能與 H13 鋼中組織的碳化物析出有關(guān)。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。 25 圖 34 H13 鋼 1020℃油淬后不同溫度兩次回火后的硬度曲線(xiàn) 1. 室溫力學(xué)性能 圖 35 淬火和回火的變形率 26 圖 35 給出了 H13 鋼淬火和不同溫度回火的變形率，從圖中看出，隨回火溫度的升高， H13 鋼的變形率有所升高，當(dāng)回火溫度為 600℃時(shí)， H13 鋼的變形率達(dá)到峰值 %。在回火過(guò)程中，熱作模具鋼的內(nèi)部組織應(yīng)力和熱應(yīng)力被逐漸釋放出來(lái)，表現(xiàn)在宏觀上的現(xiàn)象即為變形率的高低，當(dāng) 600℃時(shí)，H13 鋼的變形率最高，當(dāng) 700℃時(shí)，鋼