（材料加工工程专业论文）h13钢回火处理及气体渗氮工艺优化的研究.pdf

s t u d yo nt e m p e r i n gt r e a t m e n ta n do p t im i z a t i o no fg a sni t r idin g p r o c e s so fh 1 3s t e e l b y j uh u i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl il u o x i n g m a y ，2 0 1 1 硕i j 学他论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 鞠参 日期：加，年岁月7 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：鞠黏 导师签名： 彩巷 、 日期：勾，年，月；o 日 日期：刎年，月岁。日 - l h l3 钢i 叫火处理及表面渗氮工艺优化的研究 摘要 随着我国经济的飞速发展，铝型材在建筑、汽车、船舶、航空、航天等各个 领域都获得越来越广泛的应用。在现代化的铝型材大量生产中，大部分采用挤压 生产。挤压模具工作时直接与高温锭接触，同时承受高温、高压、剧烈摩擦等作 用，工作条件极其恶劣，模具极易因磨损和疲劳而失效，这使得模具的使用寿命 明显下降。h 1 3 是目前国内外应用最广泛的热作模具钢，通过适当的热处理和表 面改性处理，可使模具芯部保持足够好的强韧性，表面具有高硬度、耐磨、耐疲 劳等性能。本文系统研究了气体渗氮i j 回火处理、渗氮工艺对h 13 钢芯部和表面 渗氮层组织和性能的影响。一 由于回火处理对h 1 3 钢的芯部组织有重要作用，因此本文首先通过对回火过 程中的温度和次数的二元控制，采用显微组织分析( o m ) 和硬度分析探讨了h l3 钢在不同回火状态下的组织和力学性能的变化规律。进一步对两种不同的渗氮工 艺进行了测试分析。然后采用金相显微镜、扫描电镜( s e m ) 、显微硬度计、能谱 仪( e d s ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 等手段分析了回火状态对渗氮层的深度、组织形貌、 硬度以及相组成的影响。最后，采用正交实验法设计气体渗氮实验，综合分析比 较了各工艺参数对渗氮层质量的影响，得到优化的渗氮工艺。 研究发现，h 1 3 钢的硬度随回火温度的升高先增大后减小。h 1 3 钢经1 0 3 0 淬火后，不仅在高温( 5 6 0 、6 0 0 ) 回火，而且在中低温( 3 5 0 ) i n 火后也可达到 较佳的硬度，强韧性较好。二次回火比一次回火性能更佳。两种渗氮工艺相比， 工艺l 的渗氮深度比工艺2 大，并且表面硬度高，具有更好的耐磨性。渗氮前的 回火温度对渗氮层的深度影响显著，回火温度增加，渗氮层深度增大。在影响h 13 钢氮化工艺的因素中，对渗层硬度和渗层深度影响最显著的分别为氮化温度和氨 气分解率。随渗氮温度的升高，表面硬度先增加后降低；随着分解率的增高，渗 层深度先减少后增加。最佳氮化工艺为：渗氮前5 6 0 回火，氮化温度5 3 5 ，氮 化时间1 5 h ，氨气分解率5 0 ，可为实际生产提供参考。 关键词：h 1 3 钢；挤压模具；回火处理；气体渗氮；正交实验 n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，a l u m i n i u mp r o f i l e s a r em o r ea n dm o r e w i d e l v u s e di nb u i l d i n g ，a u t o m o b i l e ，s h i p b u i l d i n g ，a v i a t i o n ，a e r o s p a c e a n do t h e r f i e l d s i nt h em o d e r np r o d u c t i o n ，m o s to ft h ea l u m i n i u mp r o f i l e s a r em a d et h r o u g h e x t r u s i o n t h ee x t r u s i o nd i e sw o r kw i t hh i g ht e m p e r a t u r es p i n d l e sd i r e c t l y ，u n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，i n t e n s ef r i c t i o n ，e t c t h ew o r k i n g c o n d i t i o n sa r ee x t r e m e l yp o o r ， s ot h a tt h em o u l d sc a ne a s i l yf a i ld u et ow e a ra n df a t i g u e ，t h e l i f eo fm o u l d sa r e d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y h13i st h em o s tw i d e l yu s e dh o td i es t e e lh o m ea n da b r o a d t h r o u g ha p p r o p r i a t eh e a tt r e a t m e n ta n ds u r f a c eh a r d e n i n gt r e a t m e n t ，i tc a n h a v eg o o d s t r e n g t ha n dt o u g h n e s si n s i d e ，a n dh i g h s u r f a c eh a r d n e s s ，w e a rr e s i s t a n c e ，f a t l g u e r e s i s t a n c ea n do t h e re x c e l l e n tp r o p e r t i e s o u t s i d e i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t s o f t e m p e r i n gt r e a t m e n tc o n d i t i o n sb e f o r en i t r i d i n ga n dn i t r i d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s o n i n s i d ea n dn i t r i d e dl a y e rw e r ei n v e s t i g a t e d t h et e m p e r i n gi sa ni m p o r t a n th e a tt r e a t m e n tw a y f o rhi3s t e e l s of i r s t l y ，t h e i n f l u e n c eo ft e m p e r i n gt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r i n gn u m b e r o nt h em l c r o 。 s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh 13s t e e lw e r ei n v e s t i g a t e db ym t c r o s c o p y a n a l y s i s ( o m ) a n dh a r d n e s sa n a l y s i s s e c o n d l y ，t w o d i f f e r e n tp r o c e d u r eo fn i t r i d i n l g w e r et e s t e da n da n a l y z e d t h i r d l y ，t h ee f f e c t so ft e m p e r i n gc o n d i t i o n so nt h ed e p t h ， m i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，p h a s ec o m p o s i t i o no fn i t r i d e dl a y e rw e r ei n v e s t i g a t e d b y e l e c t r o n i cm i c r o s c o p ya n a l y s i s ( o m ，s e m ) ，m i c r o h a r d n e s st e s t e r ，e n e r g yd l s p e r s l v e s p e c t r o m e t e r ( e d s ) a n dx r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) f i n a l l y ，m a n yg a s n i t r i d i n gt e s t s t r o u g ht h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nw e r ed e s i g n e d ，t h ee f f e c t so ft h ev a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eq u a l i t yo fn i t r i d e dl a y e r w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d c o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u i t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s s o fh 13 s t e e li n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d a f t e rq u e n c h e du n d e r10 3 0 ( 2 ，n o to n l y w i t ht h eh i g ht e m p e r a t u r e ( 5 6 0 ，6 0 0 c ) t e m p e r i n g ，b u ta l s ow i t ht h el o wt e m p e r a t u r e ( 3 5 0 c ) t e m p e r i n g ，h 13s t e e lc a na c h i e v e da p p r o p r i a t e h a r d n e s sa n dg o o dt o u g h n e s s t h em a t e r i a lo w n e db e t t e rp r o p e r t i e sa f t e rt e m p e r i n gt w i c et h a no n c e h 13s t e e lh a d t h et h i c k e rn i t r i d e dl a y e r , h i g h e rs u r f a c eh a r d n e s s ，b e t t e r w e a rr e s i s t a n e ea f t e r n i t r i d i n gp r o c e s sn o 1c o m p a r e dt on i t r i d i n gp r o c e s sn o 2 t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e b e f o r en i t r i d i n gp r o c e s sa f f e c t e dt h ed e p t ho fn i t r i d e dl a y e rs i g n i f i c a n t l y w i t ht h e i n c r e a s eo ft e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h ed e p t ho f n i t r i d e dl a y e ri n c r e a s e d t h ef a c t o r s i i i 、 h 1 3 钢回火处理及表面渗氮工艺优化的研究 w h i c ha f f e c t e ds u r f a c eh a r d n e s sa n dd e p t ho fn i t r i d e dl a y e rm o s tw e r en i t r i d i n g t e m p e r a t u r ea n dr e s o l v er a t e o fn h 3r e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n c r e a s eo fn i t r i d i n g t e m p e r a t u r e ，t h es u r f a c eh a r d n e s si n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo f r e s o l v er a t eo fn h 3 ，t h ed e p t ho fn i t r i d e dl a y e ra l s oi n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d t h e o p t i m i z e dh e a tt r e a t m e n ta n dn i t r i d i n gp r o c e d u r eh a s b e e no b t a i n e d ，w h i c h w a s t e m p e r i n ga t5 6 0 * ( 2 ，n i t r i d i n ga t5 3 5 ( 2 f o r15 h ，t h er e s o l v er a t eo fn h 35 0 t h e s e p a r a m e t e r sc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o r t h ea c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h 13s t e e l ；e x t r u s i o nd i e ；t e m p e r i n gt r e a t m e n t ；g a s n i t r i d i n g ； o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n i v 硕卜学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要：i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引i x 第l 章绪论1 1 1 课题来源及研究意义1 1 2h 1 3 钢的概述l 1 2 1h 1 3 钢化学成分及性质2 1 2 2h 13 钢的发展3 1 2 - 3h 1 3 钢的应用现状4 1 3h 1 3 钢的热处理工艺5 1 3 1 退火5 1 3 2 淬火5 1 3 3 回少【( 6 1 4h 1 3 钢的表面强化技术7 1 4 1 渗氮处理7 1 4 2 其他表面强化技术9 1 5 本文的主要研究内容和研究方案1 2 1 5 1 研究内容12 1 5 2 研究方案1 2 第2 章回火工艺对h 1 3 钢组织和性能的影响1 4 2 1 实验方案一1 4 2 2 实验检测15 2 3 实验结果与分析l5 2 3 1 显微组织分析1 5 2 3 2 力学性能分析1 8 2 4 本章小结19 第3 章渗氮工艺对h 1 3 钢渗氮层的影响2 0 3 1 实验方案2 2 3 2 实验结果检测一2 3 v h 1 3 钢同火处理及表面渗氮工艺优化的研究 3 2 1 显微组织观察2 3 3 2 2 显微硬度测试2 3 3 3 不同渗氮工艺对渗氮层组织的影响一2 3 3 4 不同渗氮工艺对渗氮层硬度的影响2 6 3 5 本章小结一2 9 第4 章回火工艺对h 1 3 钢气体氮化层的影响3 0 4 1 试样制备- 3 0 4 2 实验检测一3 0 4 3 回火温度对渗氮层组织的影响一3 0 4 4 回火温度对渗氮层硬度的影响3 3 4 5 回火温度对渗氮层相成分的影响3 6 。4 6 回火次数对渗氮层的影响3 6 4 7 本章小结：3 7 第5 章正交实验法的渗氮工艺参数的优化3 9 5 1 试样制备3 9 5 2 正交实验结果一4 0 5 2 1 试样外观特征4 l 5 2 2 渗氮层表面硬度实验结果与分析4 l 5 2 3 渗氮层深度实验结果与分析4 4 5 2 4 渗氮层表面相分析4 8 5 2 5 最优化工艺参数的确定5 0 5 3 优化工艺与实际生产工艺的比较一5 l 5 4 本章小结5 2 结论5 3 参考文献5 4 致谢5 8 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文) 5 9 v i 硕十学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 插图索引 f e n 平衡相图8 本文的研究方案1 3 h 1 3 钢的退火、淬火组织( o m ) 1 6 h 1 3 钢在不同回火温度下的金相组织( o m ) 1 7 h 1 3 钢经3 5 0 一次回火的组织( o m ) 1 7 h 1 3 钢在不同回火状态下的硬度一1 8 h 1 3 钢在不同回火温度下的硬度曲线1 8 渗氮工艺l 2 2 渗氮工艺2 。2 2 经不同渗氮工艺处理的h 1 3 钢的组织( o m ) 2 3 渗氮工艺1 处理的h 1 3 钢的显微形貌( s e m ) 2 5 渗氮工艺2 处理的h 1 3 钢的显微形貌( s e m ) 2 5 不同工艺处理的渗氮层横截面的硬度梯度曲线2 6 氮化工艺l 处理试样由表层到芯部不同位置处的能谱分析2 7 氮化工艺2 处理试样由表层到芯部不同位置处的能谱分析2 8 不同回火状态的h 1 3 钢渗氮后的显微组织( o m ) 3 l l 撑试样显微组织全图和渗层局部放大图( s e m ) 3 2 2 捍试样显微组织全图和渗层局部放大图( s e m ) 3 2 3 撑试样显微组织全图和渗层局部放大图( s e m ) 3 3 不同回火状态的h 13 钢渗氮后的硬度梯度曲线3 4 不同试样不同微区的位置3 5 6 0 0 回火+ 渗氮试样的e d s 图像3 5 试样表面氮化层的x 射线衍射分析结果一3 6 不同回火次数的h 1 3 钢渗氮后层的组织( o m ) 一3 7 各种工艺制备的渗氮层表面平均硬度值及偏差4 1 四种工艺参数对渗氮层表面硬度的影响4 4 不同渗氮工艺( 1 9 ) 的h 1 3 钢的渗氮层金相组织( o m ) 4 5 不同渗氮工艺的h 1 3 钢渗氮层深度平均值及偏差4 6 四种工艺参数对渗氮层深度的影响4 7 各工艺的渗氮层x 射线衍射分析结果4 8 低氮化物含量对应工艺参数水平分布5 l 正交实验工艺参数对h 1 3 钢气体氮化层硬度及厚度的影响5 0 v n h i 3 钢| 口1 火处理及表面渗氮t 艺优化的研究 图5 95 撑和9 群试样的扩散层组织( o m ) 5 1 图5 1 0 优化工艺与实际工艺的h 1 3 钢渗氮层的显微形貌( o m ) 5 1 图5 1 1 优化工艺与实际工艺的渗氮层横截面的硬度梯度曲线一5 2 硕十学位论文 附表索引 表1 1h 1 3 钢的化学成分及其质量分数( w t ) 2 表1 2h 13 钢的临界温度一5 表2 1回火实验方案l5 表3 1不同氮化工艺试样不同微区的氮含量( w t ) 2 9 表4 1渗氮试样编号及其渗氮前热处理状态、工艺、硬度3 0 表4 2不同回火态渗氮试样不同微区的氮含量( w t ) 3 4 表5 1h 1 3 钢气体渗氮工艺因素水平表一4 0 表5 2正交实验设计的渗氮工艺方案4 0 表5 3渗氮试样表面平均硬度值及偏差一4 l 表5 4渗层表面平均硬度值的正交分析表一4 3 表5 5不同工艺渗氮层平均深度及偏差4 4 表5 6渗层平均深度正交实验分析表4 6 表5 7 不同渗氮工艺下渗氮层的物相组成4 9 i x 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本文源自实验室和其他单位联合承担的“大断面复杂截面铝合金型材挤压用 模具的设计制造技术研究 项目。大断面复杂截面铝合金型材制造技术代表了当 前铝合金型材加工技术的最高水平，工业发达国家对用于航空航天、交通运输的 大断面复杂截面铝合金型材制备的产业化技术是不输出的，部分关键产品的出口 受到严格限制，严重制约了我国国民经济中的一些关键领域的发展。该项目重点 突破“大断面复杂截面铝合金型材的制造技术的核心关键技术，即研究开发大 断面复杂截面铝合金型材挤压用模具的受力分析和设计专用软件，模具设计和制 造技术；结合模具设计和加工的关键装备建设，建立大断面复杂截面铝合金型材 模具设计和制造的产业化示范生产基地，解决我国大断面复杂型材生产的瓶颈。 在该项目中，本实验室负责模具表面处理技术的研究。 在铝型材生产中，模具反复受到高温、高压、摩擦力的作用，主要失效形式 为热磨损( 熔损) 和热疲劳，严重影响了模具的使用寿命。因此，模具技术是铝型 材生产的关键技术。模具的使用寿命如何，己经成为衡量一个国家制造产业水平 高低的重要标志，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争能力。目 前我国大多数铝挤压企业均采用与国外相同的h l3 ( 4 c r 5 m o s i v ) 钢，但在使用寿 命上与国外有很大差距，仅为国外寿命的1 3 1 2 t ，造成短寿命的原因有材料成 分控制不过关：热处理工艺不当；模具设计有缺陷；表面氮化处理不均匀、强度 不够等【2 】。由于模具失效多由表面开始，因此，对模具钢进行表面处理，使表面 具有高硬度、耐磨、耐蚀等性能，可以显著的提高模具寿命【3 ，4 j 。而气体渗氮是生 产中常用的成本低、操作简单的表面处理方法岭j 。 1 2i - 1 13 钢的概述 在挤压过程中，铝型材工模具的工作条件十分恶劣，要承受长时高温、高压、 激冷激热、反复循环应力、应力集中、冲击载荷及高温高压下的高摩擦等作用， 因此要求工模具的材料要有高的强度和硬度值、高的耐磨性、高的冲击韧性和断 裂韧性、良好的淬透性、抗激冷激热等性能。 h 13 是一种典型的热作模具钢，原是美国的一种钢种，在世界各地均有应用， 具有优良的性能，可在4 0 0 6 0 0 。c 下服役，并且具有良好的性价比，非常适合用 于制造挤压模具。 h l3 钢同火处理及表面渗氮t 艺优化的研究 1 2 1h 13 钢化学成分及性质 h 13 钢又称作4 c r 5 m o s i v l ，它优良的特性主要由钢的化学成分决定。同时 钢中杂质元素必须降低。有资料6 1 表明，当抗拉强度( r m ) 在15 5 0m p a 时，材料 含硫量由o 0 0 5 降到0 0 0 3 ，会使冲击韧度提高约1 3 j 。表1 1 为h 1 3 钢的化学 成分。 表1 1h 1 3 钢的化学成分及其质量分数( w t ) 钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，对照钢中的碳含量，对应的h 13 钢淬火 后的基体硬度约为5 5 h r c i 。h 1 3 钢淬火后得到的马氏体组织为板条马氏体+ 少 量片状马氏体+ 少量残余奥氏体。碳在工具钢中发挥着两种作用，既可以溶入基 体中引起强化，又可以与钢中的合金元素形成合金碳化物。热作模具钢回火过程 中的二次硬化现象就是因为合金碳化物在淬火马氏体基体上弥散析出导致的。热 作模具钢的性能由回火马氏体的组织和均匀分布的残留合金碳化合物来决定。钢 的含碳量增加，钢的强度增大，由此可见，钢中的含c 量不能太低。然而有学者 证明，对热作模具钢而言，钢在高温下的强度、硬度、耐磨性越大，钢的韧度就 会越小1 8 j 。一般认为，影响钢的强韧性的含碳量的临界值为0 4 ，超出此值，钢 的塑性和韧性降低。因此，为了同时保证钢的强度和韧性，在钢的成分设计时要 依照“在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量 的原则。有资料已提出，在 钢抗拉强度达1 5 5 0m p a 以上时，含c 量在0 3 0 4 为宜1 2 j 。 h l3 钢中主要合金元素的作用如下1 9 , 1 0 j ： 铬：铬是最常见、价廉的合金工具钢中所含的合金元素。美国生产的h 型热 作模具钢中的c r 含量一般在2 1 2 之间。铬有利于提高钢的耐磨性、高温强度、 热硬度、韧度和淬透性，此外c r 溶入钢基体会明显提高钢的抗腐蚀性，同时它可 以有助于产生致密的氧化膜使钢的抗氧化性提高。一部分铬溶入钢中产生固溶强 化作用；另一部分与碳形成( f e c r ) 3 c 、( f e c r ) 7 c 3 和m 2 3 c 6 等形式的铬的碳化物， 导致钢的c 曲线右移，改善钢的淬透性和回火稳定性，因此h 13 钢在淬火时采用 空冷即可淬硬。然而加入铬会使碳化物的不均匀度增加，致使共晶碳化物的出现， 这些碳化物为亚稳定态，在国内现在一般采用高碳铬轴承钢相关标准进行评定。 铬含量的增加有助于提高材料的热强度，但会降低韧度。 钼：钼也可以与碳形成合金碳化物，与铬相似，钼能提高钢的高温硬度和淬 透性。钼更重要的作用是为了使钢产生二次硬化效应，一般认为，回火过程中， 马氏体基体中会析出m 0 2 c ，m 0 2 c 和基体共格，使钢产生二次硬化现象。同时， 2 硕i ：学位论文 钼还具有细化晶粒，降低回火脆性的作用。 硅：硅是非常有效的铁素体置换固溶强化元素，有利于提高钢的强度，但同 时在一定程度上使钢的韧度和塑性降低。一般都将硅的含量控制在钢脱氧适合的 范围内。当s i 作为加入钢的一个合金元素时，一般不低于于4 的含量。回火时， 硅会使碳在铁素体中的扩散速度降低，使得钢中析出的碳化物聚集困难，从而使 钢的回火稳定性增加。硅还可以显著改善钢的回火抗力。硅可以使钢在高温下不 易脱碳，从而提高高温抗氧化性。此外，硅的存在使钢容易出现带状组织，使钢 的性能具有明显方向性，横向比纵向差，影响材料的使用性能。 钒：v 也是碳的形成元素，与前面两者相比，更容易于碳结合。与铬不同， 它极少溶于钢中，而是通过置换产生固溶强化效果。钒的碳化物可以提高钢的热 硬性，细化晶粒，使钢的回火稳定性增加、二次硬化效应增强。 锰：锰也可以溶入钢的基体中产生固溶强化作用，虽然它的强化效果不如其 他元素，如磷和硅，但是它基本上不会降低钢的延展性；在h l3 钢中，锰是唯一 可以增加材料强度的同时对脆性转变温度的变化影响最小的合金元素。众所周知， 硫是对材料性能有害的元素，m n 与s 有较大的亲合力，它们结合形成m n s ，m n s 具有一定的塑性，取代f e 与s 结合在晶界上形成低熔点的f e s ，从而消除了s 的不利影响，使材料的热加工性能改善j 。同时，m n 可以使钢在凝固时所形成 的氧化物的形状和性质改变。奥氏体中存在锰可以明显提高钢的淬透性，同时显 著的减低钢的马氏体转变点。 h l3 钢的化学成分，使得它具有以下的主要优良性质：( 1 ) 高的淬透性和良好 的韧性；( 2 ) 高的热硬性和一定的耐磨性，还可以通过渗碳或渗氮等表面处理工艺 来强化表面，但抗热裂能力会略为降低；( 3 ) 抗热裂能力强，任何条件下水冷均可； ( 4 ) 具有高温抗软化能力，在一定的温度下，材料硬度无明显下降：但当工作温度 超过5 4 0 时，硬度下降比较迅速；( 5 ) 切削加工性能比较好；( 6 ) 热处理时，具有 一定的抗脱碳能力，热变形小。 1 2 2h 13 钢的发展 为进一步改善h l3 钢的性能，一方面改进熔炼方法：采用真空除气、炉外精 炼、电渣重熔等的工艺冶炼h 1 3 钢，使h 1 3 钢的纯净度提高，含硫量减少。同时 采用等向锻造、组织细匀化处理减少材料内部偏析，使材料各向性能均匀。攀钢 集团采用电炉冶炼+ 电渣重溶时，通过适当提高填充比、增大溶速有效的减少了 钢中的偏析现象，使钢材具有较好的纯净度f l2 1 。通过高淬高回预处理，使组织 细匀化，可以显著改善国产h l3 钢原始态组织，延长了模具钢的使用寿命【i 引。 另一方面，h 13 钢的化学成分向高m o 低s i 方向发展。高m o 可以明显提高钢 的高温强度和高温蠕变强度，使碳化物的析出和贝氏体转变减少，有资料报道， 3 h 1 3 钢同火处理及表面渗氮工艺优化的研究 h 1 3 钢经气淬后芯部和表面的贝氏体量约为7 0 和4 0 ，而同样处理后的高m o 的s k d 6 钢仅为2 和1 。s k d 6 1 为德国的钢种，具有良好的淬透性和高温强度。 低s i 可以大大改善钢件内部偏析，宏观上使组织均匀，微观上，使奥氏体结晶细 化，凝固组织的枝晶细化，减少共晶碳化物，提高塑性和韧性等，但同时会降低 钢的切削性。另外，在钢中加入v 和n b 有利于提高钢件的高温强度、热稳定性、 降低过热敏感性。4 c r 5 m 0 3 s i v n b 钢在6 5 0 回火时仍能保持4 5 h r c 硬度和能进 一步提高综合机械性能。有公司开发出低c r 高m o 的热作模具钢，该钢在高温下 仍具有高硬度、耐磨性，高寿命，对于长期在高温环境下工作，容易因热磨损失 效的模具特别适用【1 4 l 。 1 2 3h 13 钢的应用现状 h l3 钢因其优良的使用性能和工艺性能，是目前是国际上应用最广和最具代 表性的热作模具钢种，广泛应用于压铸模、热锻模和挤压模的制造。我国从上世 纪七十年代开始将h 1 3 钢作为推荐钢种列入标准，八十年代将其作为国家重点钢 种，用于取代长期以来使用的3 c r 2 m 0 8 v 钢。近年来，进口压铸设备上的模具采 用的材料基本上都是h 13 钢。h l3 钢的应用如下： ( 1 ) 用于压铸模 压铸生产中，熔融的金属液以一定的速度和频率射入模腔，与模具产生强烈 的摩擦和反复冲刷，模具不仅要承受高温，还有强大的压力和巨大的冲击力。所 以用于压铸模的材料需要在高温、冲击下仍能保持足够的硬度和强度，热膨胀系 数小不易变形，导热性好便于散热，具有良好的抗冲蚀性和耐疲劳性。在中国， 压铸模材料一般选用3 c r 2 w 8 v ，镍基钛合金、马氏体钢次之；而国外除铜合金外， 基本上所有的有色金属，如铝、镁和锌等均采用h 1 3 钢作为压铸模材料。上世纪 八十年代，我国几个较大的压铸模厂首次选用h 1 3 钢制造的压铸模，生产效果良 好。相同时期，上海某电机厂使用h 13 钢压铸模制造铝转子，同等的压铸工艺条 件下，h 1 3 钢模比3 c r 2 w 8 v 钢模压铸次数提高近1 0 倍，且转子质量改善，模具 寿命大大提高i l5 1 。 ( 2 ) 用于热锻模 热锻过程中，模具同样要承受高温、高压和巨大的冲击力。h 1 3 钢因其具有 良好的高温强度、热硬度、抗冲击性，同样适合制造热锻模具。上世纪八十年代， 在欧美及日本等国，h 1 3 钢已经广泛应用于制造锤锻模、摩擦压力机锻模、热模 锻压力机锻模等各种热锻模。在我国，从2 0 世纪9 0 年代初开始，一些大型的制 造厂家也开始尝试在一些中小型锻模上采用h 13 钢，亦取得了满意的效果。如某 车辆厂用h 1 3 钢替代5 c r m n m o 制造锻模镶块，共制锻件量是原来的5 倍。又如 某公司研发的滚轮模具，改用h 13 钢制模后，其产成比提高了近一倍【l6 1 。 4 硕卜学位论文 ( 3 ) 用于热挤压模 热挤压过程中，模具在忽冷忽热的环境下工作，锻件在模腔中时间较长，金 属在模腔中流动产生强烈的摩擦，所以模具要具有良好的抗热疲劳性、耐高温性 和耐磨性。长期以来，我国在汽车零部件、军事装备、铝型材等热挤压过程中多 采用3 c r 2 w 8 v 钢制模具，然而容易出现热疲劳裂纹，从而降低模具寿命，对产 品质量和生产成本造成直接影响。h 13 钢因其导热性好，对温度的急剧变化有很 强的适应能力，在高温下仍具有高的强度和硬度可以避免热挤压模早期变形、开 裂，良好的耐磨性又能减少工作表面的磨损，所以更加适合用于挤压模具。上世 纪九十年代，我国铝挤压工业开始较广泛的使用h 1 3 钢制模具，使铝型材工业节 约了一半以上的模具材料，大大降低了模具成本，产生了显著的经济效益。 目前，我国绝大多数铝型材厂使用h l3 钢制挤压模具，生产的铝型材具有良 好的表面质量，结合强韧化处理和表面强化，模具使用寿命延长数倍。湖南某公 司进行同等条件下的对比实验表明，与3 c r 2 w 8 v 钢制挤压模具相比，h 13 钢制 模具耐磨性好，不易出现尖角裂纹，工作带耐磨损，寿命使用是前者的2 - 3 倍i l 。 1 3h 13 钢的热处理工艺 h 1 3 钢的临界温度如表1 2 所示。h 1 3 钢制作模具时，一般经过退火、淬火、 回火三个阶段，下面依次介绍。 表1 2 h 13 钢的临界温度 1 3 1 退火 普通退火工艺又称完全退火，通常为8 5 0 8 7 0 ，保温3 4 小时，炉冷到 4 0 0 5 0 0 。c 以下出炉空冷，炉冷速度为3 04 c h 。将温度提高到8 9 0 。c 左右保温，则 实现球化退火。若是8 4 5 9 0 0 * ( 2 ，保温2 4 小时，炉冷后，紧接着在7 0 0 7 4 0 。c ， 保温3 4 小时，炉冷至5 0 0 以下空冷，即等温球化退火。球化退火可以使组织 均匀、碳化物细化、消除各向异性。h 13 钢经退火后，由球状珠光体和少量粒状 碳化物组成的组织较适宜，热处理硬度达到h b l 9 2 2 2 9 ，加工性能较好。 1 3 2 淬火 h 13 钢的淬火工艺可以采用箱式电阻炉、盐浴炉、真空炉进行。淬火方法有 以下几种： ( 1 ) 普通淬火：许多文章【1 8 ，1 9 1 都做了比较系统、细致的研究，一般认为淬火前 5 h 1 3 钢同火处理及表面渗氮工艺优化的研究 进行8 0 0 8 5 0 预热，对于形状复杂的模具在6 0 0 6 5 0 、8 0 0 8 5 0 左右进行两 次预热，再升温至奥氏体化温度；可有效防止因加热速度过快在模腔内形成温度 梯度、热应力增大引起的模具畸变。淬火温度一般选择在10 0 0 1 10 0 ，既可以 保证奥氏体溶有足够的碳和合金元素来提高材料的强度和红硬性，又可使晶粒尺 寸不太大以满足模具对韧性的要求，。为防止模具开裂，般采用油冷。 ( 2 ) 真空淬火：淬火温度1 0 2 0 * ( 2 ，保温4 0m i n ；充氮气4 5 1 0 5p a ，风扇2 8 0 0 r m i n ；当炉温为8 0 ，工件温度为2 0 0 左右时，调整风机转速为1 2 0 0r r a i n 。 通过真空高温淬火和盐浴分级淬