（材料加工工程专业论文）h13模具钢热处理工艺优化及表面渗氮处理研究.pdf

中南人学硕t 学何论文摘要 摘要 本文结合，生产实际，以提高挤压模具的使用寿命为目的，分析了取自生产实 际的报废h 1 3 钢铝型材挤压模具渗氮层的失效形式，围绕h 1 3 挤压模具钢的热 处理、渗氮 = 艺和热处理状态对h 1 3 模具钢渗氮层的影响等三个方面进行了系 统的研究，并获得如下主要结论： 1 h 1 3 钢挤压模具失效分析 h 1 3 钢热挤压模具渗氮层由于软化、断裂和塑性变形等导致和加速磨损而引 起欠效。 2 h 1 3 模具钢的热处理工艺优化 h 1 3 钢经1 0 5 0 淬火后在5 6 0 6 0 0 的温度下回火两次，可使其硬度达到 较佳的使用范围( h r c 4 8 5 2 ) ，且韧性较好。 3 渗氮工艺对h 1 3 模具钢渗氮层的影响 采用渗氮工艺l 处理的h 1 3 模具钢表面渗氮层厚度达0 2 4 m m ，其中白亮层 厚度约1 0 删，表面硬度9 5 0 h v ( 约6 7 h r c ) ，表面化合物层结构致密。采用渗 氮工艺2 处理的h 1 3 模具钢表面渗氮层厚度约为2 5 a n ，没有白亮层，表面硬度 为5 2 h r c 。经过渗氮工艺2 二次渗氮后的h 1 3 模具钢表面渗氮层厚度未有增加， 但模具表面形成了一层很薄的亮白氮化层，其厚度约为3l a n ，表面硬度为 5 3 8 h r c 。 4 热处理状态对h 1 3 模具钢渗氮层的影响 渗氮自，j i 后芯部硬度相差不大，但渗氮处理后芯部组织进一步稳定；经“淬火 + 二次回火”和“淬火+ 三次回火”的试样渗氮后，渗氮层厚度均达到约0 2 4 m m ， 致密化合物层厚度达1 0 9 m 以上，表面硬度达9 5 0 h v ( 约6 7 h r c ) ，且表面耐磨性较 好。这两种热处理状态下化合物层均由占相( f e 2 n ) 、7 相和f e 3 0 4 构成，扩散层 均出口一f e 、占相( f e 3 n ) 、c r n 相和7 相构成，但各相含量有一定差别。而淬火 念和“淬火+ 一。次叨火”念渗氮试样未能获得具有足够好综合性能的渗层组织。 综合比较不同淬火加热温度，不同回火次数下h 1 3 模具钢的组织和性能， 彳i 刖渗氮工艺下h 1 3 模具钢渗氮层的组织和性能，不同热处理念渗氮h 1 3 模具 钢的化合物层及整个渗氮层厚度、渗氮层硬度及其向芯部的过度情况、渗层致密 性及其缺陷和组织稳定性，铝型材挤压模具用h 1 3 钢的热处理及渗氮处理工艺 应选用：1 0 5 0 淬火，5 6 0 6 0 0 回火两次( 要求较严格的模具应回火三次) ，稳 定渗氮阶段温度为5 4 0 5 7 0 ，渗氮时l 日j1 2 h ，n h 3 分解率3 0 - 4 0 。 关键词：h 1 3 钢，挤压模具，失效分析，热处理，渗氮处理 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sa r t i c l ec o m b i n e sw i t hp r a c t i c a lp r o d u c t i o n , f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h e s e r v i c el i r eo fe x t r u t i o nd i e ，t h ef a i l u r em o d e so ft h en i t r i d e dl a y e ro fah13e x t r u s i o n d i ew e r ea n a l y s e d ，a n das e r i e sb a s i cr e s e a r c ho nh e a tt r e a t m e n ta n dn i t r i d i n go fh 13 t o o lt r e a t m e n tw a sc a r r i e do u t t h ep r i m a r yi n v e s t i g a t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d et h r e e m a i np a r t s ：h e a tt r e a t m e n to p t i m i z a t i o no fh 13t o o ls t e e l ，s t u d yo nt h ee f f e c t so ft h e n i t r i d i n go nn i t r i d e dl a y e ro fh 13t o o ls t e e l ，a n dt h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n so nn i t r i d e dl a y e ro fi ll3t o o ls t e e l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 f a i l u r ea n a l y s i so fh 1 3e x t r u s i o nd i e t h ef a i l u r em o d eo ft h en i t r i d e dl a y e ro ft h eh 13h o te x t r u s i o nd i ei sw e a rw h i c h d u et os o f t e n ，b r e a ka n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n 2h e a tt r e a t m e n to p t i m i z a t i o no fi l l 3t o o ls t e e l t h eh a r d n e s so fh13s t e e lm a yr e a c ht h eo p t i m u mu s er a n g e ( h r c 4 8 5 2 ) ，a f t e r q u e n c h i n ga t10 5 0 。ca n dt e m p e r i n gf o rt w ot i m e sa tt h et e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m 5 6 0 t o6 0 0 c ，t h i sm a t e r i a lm a yo b t a i ni m p r o v e dp l a s t i ca n dt o u g h n e s s 3s t u d yo ne f f e c t so ft h ep r o c e d u r eo fn i t r i d i n go nn i t r i d e dl a y e ro fh 1 3t o o l s t e e l t h et h i c k n e s so ft h en i t r i d e dl a y e ri so = 2 4 m m ，t h ec o m p o u n dl a y e ri slo l x r n ， h a r d n e s so ft h es u r f a c ei s9 5 0 h v ( 6 7 h r c ) ，a n dt h ec o m p o u n dl a y e ri sd e n s e ，w h e n p r o c e d u r e li su s e d w h e nt h eh 1 3t o o ls t e e li sn i t r i d e db yp r o c e d u r e 2 ，t h et h i c k n e s s o ft h en i t r i d e dl a y e ri so n l y2 5 a n ，t h e r ei s n tw h i t el a y e r , h a r d n e s so ft h es u r f a c ei s 5 2 h r c ，b e c a u s eo ft h es h o tt i m ei nt h ef i r s ts t e po ft h en i t r i d i n g a n dt h et h i c k n e s so f t h en i t r i d e dl a y e rd o s e n ti n c r e a s ew h e nt h es t e e li sn i t r i d e dt w ot i m e sb yp r o c e d u r e 2 ， b u tt h e r eh a sb e e nf o r m e dat h i nw h i t en i t r i d e dl a y e r , t h et h i c k n e s so fw h i c hi s3 u n ， t h eh a r d n e s so ft h es u r f a c ei s5 3 8 h r c 4s t u d yo ne f f e c t so f h e a tt r e a t m e n tc o n d i t i o n so nn i t r i d e dl a y e ro fh 1 3t o o l s t e e l t h eh a r d n e s so ft h es t e e lb e f o r ea n da f t e rn i t r i d i n gi nt h ec o r eb e c o m el e s s ，b u t t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o r ea f t e rn i t r i d i n gi sm o r es t a d y t h et h i c k n e s so ft h e n i t r i d e dl a y e ri s0 2 4 m m ，t h ec o m p o u n dl a y e ri s10 p r o , h a r d n e s so ft h es u r f a c ei s 9 5 0 h v ( 6 7 h r c ) ，w h e nt h eh e a tt r e a t m e n tc o n d i t i o n so fi l l3 t o o ls t e e lb e f o r en i t r i d i n g a l e q u e n c h i n ga n dt w i c et e m p e r i n g a n d “q u e n c h i n ga n dt h r e e t i m e st e m p e r i n g ，a n d t h ew e a r - r e s i s t a n c ei s g o o d ，t h ec o m p o u n dl a y e rm a i n l y i n c l o u d s s - p h a s e i l 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( f e 2 n ) ，广p h a s ea n df e 3 0 4 ，a n dq f e 、六p h a s e ( f e 3 n ) ，y 。- p h a s ea n d c r na r e t h em a j o rp h a s eo fd i f f u s i o nl a y e r , b u tt h ec o n t e n ti sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n tc o n d i t i o n s ，h o w e v e r , t h eh e a tt 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 r e q u e n c h i n g a n d q u e n c h i n ga n do n c et e m p e r i n g c o u l d n th o l dt h en i t r i d e dl a y e r w h i c hh a sw e l lc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s b yc o m p a r i n gt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e su n d e rd e f e r e n th e a tt e m p e r a t u r e a n dt e m p e r i n gt i m e s ，u n d e rd e f e r e n tn i t r i d i n gp r o c e d u r e ，t h et h i c k n e s so ft h e c o m p o u n dl a y e ra n dt h ew h o l en i t r i d e dl a y e r , t h eh a r d n e s so ft h en i t r i d i n gl a y e ra n d d e c r e a s a t i o nf r o mt h es u r f a c et ot h ec o r e ，t h ed e n s ea n dd e f a c t so ft h en i t r i d e dl a y e r , t h es t a b i l i z a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e ，t h e o p t i m i z e dh e a t t r e a t m e n ta n dn i t r i d i n g p r o c e d u r eh a sb e e no b t a i n e d ，w h i c hi sq u e n c h i n ga t1 0 5 0 。c ( h o l d i n gf o r2 0 0s e c o n d s ， t h e nc o o l i n gi nw a r mw a t e ro f5 0 - 6 0 c ) a n dt e m p e r i n gf o r2h o u r sa tt h et e m p e r a t u r e r a n g i n gf r o m5 6 0 。ct o6 0 0 c ，t e m p e r i n gf o rt w ot i m e s ( t e m p e r i n gf o rt h r e et i m e sf o r m o r es t r i c td i e ) ，n i t r i d i n ga t5 4 0 n 5 7 0 f o r1 2 l l ，t h er e s o l v er a t eo f n h 33 0 - - 4 0 k e yw o r d s ：h 1 3s t e e l ，e x t r u i o nd i e ，f a i l u r ea n a l y s i s ，h e a tt r e a t m e n t ，n i t r i d i n g h l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：塑垫垄日期：卫l 年且月翌日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文 第i 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于江苏省江阴市江顺模具公司。该公司是国内一家著名的专业生 产热挤压工模具的高科技民营企业。2 0 0 7 年，该公司作为负责单位承担了一项 国家科技支撑计划项目子课题“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 ；2 0 0 8 年，该公司又申报了“铝型材热挤压模具国家标准的起草。 受公司委托，本课题从热处理工艺、渗氮工艺、热处理状态对渗氮处理的影响等 方面开展相关实验研究，不仅可为国家科技支撑计划项目的研究奠定基础，而且 可为热挤压模具相关标准的制定提供依据。 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，工模具对实行整 个挤压过程有着十分重要的意义。模具寿命是评价某一个挤压方法经济可行性的 决定因素，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高产、优质、低能耗的最重 要的保证之一。因此模具技术是铝型材生产的核心技术。目前国内铝型材挤压模 具普遍采用h 1 3 钢。h 1 3 模具钢在使用前经适当的淬火+ 回火等热处理，可获 得优良的综合性能，如具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性、抗热疲劳性和 抗热振性等，工作温度可达6 0 0 。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，使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。鉴于模具失效大都由表面开始，从节 省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对 h 1 3 钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的关键0 - 2 j 。表面改性处理 不仅能提高模具的表面性能，使模具材料的表面具有高硬度、耐蚀、抗粘结等性 能，而且能使模具的芯部保持足够好的强韧性，这可改善模具的综合性能、大幅 度降低成本。而采用表面渗氮技术来改善模具材料表面质量是常用的一种低成 本、方便实用的处理方法1 3 川。 1 2 挤压工模具的选材 1 2 1 模具加工方法及其工艺流程 目前，较为普遍采用的铝型材挤压模具制模工艺流程图1 1 所示： 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 模予任务的提出( 型材图) 上 坯改锻、退火i l 挤压模设计l，l 编制程序1 0上 车前加工程序检查 00 i 粗磨甲面i- 4切线i i 数控程序磁带或纸带程序l j 钻、铣削加工 上、 r 检验 电火花加工电极加工 上j 热处理线切割加工 j 磨削加工检验、修正 i 卜i 挤压、研磨 i ： 匝蚕亟二巫口一“ 翌雯堕 图1 - 1 铝型材挤压模具制模工艺流型5 i 制造铝型材挤压模具的工艺方法有：机械加工手工研磨法；机械加工一电 d 加工法；机械加工一电加工化学加工或电化学加工法地等。按工装和技术水平 可组成如下专业的挤压模制造生产线：单机组成的手工操作生产线；自动化单机 和部分工序机械化组成的生产线。电子计算机控制的自动化生产线；电子计算机 控制的机加工一电加工化学或电化学加工综合生产线。 1 2 2 挤压工模具的工作条件 在挤压过程中，挤压工模具的工作条件是十分恶劣的。随着挤压产品品种的 增加和规格大型化、形状复杂化、尺寸精密化、材料高强化以及大型的高比压挤 压筒和新的挤压方案的不断出现，挤压工模具的工作条件变得更为恶劣了。下面 概括分析一下铝合金挤压工模具的使用条件及其损坏原因： ( 1 ) 承受长时高温作用。金属的热挤压是在高温下进行的，挤压前的铸锭 加热温度，铝合金为4 0 0 - - - 5 0 0 ，加上在挤压过程中由于磨擦生热郁变形功热 效应产生的温升，更提高了金属的变形温度。直接与高温铸锭接触并参与变形的 挤压工具( 挤压筒、挤压垫片、针后端、冲针等) 和模具( 模子、模垫、针尖、 舌模套、模支承等) 的表面温度有时局部可高达5 5 0 1 2 以上。承受高温作用的时 2 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 间一般为几分钟到几十分钟，对于挤压速度慢的难变形铝合金来说，有时长达数 小时以上。长时间的高温作用，大大地恶化了金属与工具之间地摩擦条件，降低 了工模具材料的强度，以至于产生塑性变形，加速其破坏。 ( 2 ) 承受长时高压作用。为了实现挤压变形，金属和工具都需要承受很高 的压力。生产实践表明，使金属产生塑性变形所需的单位压力与合金品种有很大 的关系。表1 1 列出了轻合金挤压成型时所需的最小比压。 表1 - 1 铝合金挤压成形所需单位压力 合金与品种所需的最小单位压力心 纯铝产品 铝合金普通型、棒材 铝合金壁板和空心型材 冷挤压产品 1 0 0 1 5 0 2 0 0 4 0 0 4 5 0 - 1 0 0 0 6 0 01 2 0 可见，工模具在挤压时需要承受很高的单位压力，加上高温和长时间的作用， 有时甚至会超过模具材料的许用应力而损坏，特别是近年来随着挤压技术的发 展，挤压工艺不断强化，出现了很多新的工艺方法，如等温挤压、静夜挤压、高 速冷挤压、连续挤压等，这些工艺方法要求工模具具有更好的性能。 ( 3 ) 承受激冷激热作用。计算和生产实践表明，穿孔针、模子和挤压垫片 等工具，工作时间和非工作时间的温差，挤压铝合金时可达2 0 0 - 3 0 0 以上， 而在水冷模挤压、穿孔挤压时，工模具中的温度梯度更大，变化激烈，加之，工 模具材料的传热能力较低，很可能在工模具中产生大的热应力，使其工作条件更 为恶化。在激冷激热作用下，工模具极易产生微裂或热疲劳裂纹。 ( 4 ) 承受反复循环应力作用。挤压过程本身就是一个周期性循环的间歇式 操作过程。在工作时间，工模具要承受很高的应力，而在非工作时间里则突然卸 载，应力到零，而且，有的工具( 如穿孔系统的工具) 在挤压过程中有时受压， 有时受拉，因此，工模具部件中的应力状态是极其复杂和极不稳定的。在这种反 复循环，拉压交变的应力作用下，工模具极易产生疲劳裂纹。 ( 5 ) 承受偏心载荷和冲击载荷作用。在穿孔和挤压时，特别在挤压复杂断 面型材、空心型材、大直径小内孔的厚壁型材时，工模具内会产生很大的附加应 力，或引起很高的应力集中。在细长件、薄壁空心件( 如实心和空心挤压轴，穿 孔针组件等) 中，还会受到偏心载荷、冲击载荷、扭曲和横向弯曲应力的作用。 主应力和这些附加应力跌价，会形成很高的工作应力。在这种复合应力的作用下， 工模具最易失其稳定性、产生弯曲、扭断或折断。 ( 6 ) 承受高温高压下的高摩擦作用。铝合金在挤压时的主要特点之一是极 易与工模具表面产生“粘结”作用，即在高温高压作用下，合金中的v 、f e 、s i 3 中南大学硕士学位论文第i 章文献综述 等溶质原子渗透到工模具表面层而产生焊合作用，在与高温金属直接接触的挤压 筒内套、穿孔针和模子等的表面粘附一层金属。在高温高压作用下，这些粘附的 金属层不断形成，又不断被破坏，经多次反复磨损，而引起工模具失效。 ( 7 ) 承受局部应力集中的作用。由于产品形状比较复杂，相应的模具和工 具( 如扁挤压筒、轴，舌模和平面分流组合模等) 的形状和结构比较复杂，因而 在高温高压下容易产生局部的应力集中，从而引起局部变形或局部压塌。这种局 部变形( 如挤压轴端部的局部镦粗等) 经局部修理厚，削弱了工具的强度，使之 工作条件更为恶劣，因而更易损坏。 通过以上分析可知，在穿孔或挤压时，工模具的工作条件是十分恶劣的，引 起其变形和损坏的因素也是错综复杂的。因此，在设计时应尽可能考虑各种不利 因素的影响，选择合理的结构，进行可靠的强度校核，规定合理的加工工艺和热 处理工艺，最重要的是选择合适的材料。 1 2 3 铝型材挤压工模具的性能要求 承受局部应力集中的作用。由于产品形状比较复杂，相应的模具和工具的形 状和结构也比较复杂，因而在高温高压下容易产生局部的应力集中，从而引起局 部变形或局部压塌。由于挤压工模具的工作条件是十分恶劣的，因此选择制造工 模具材料的条件就非常严格【6 j 。 型材挤压对工模具材料的要求如下： ( 1 ) 高的强度和硬度值。挤压工具和模具一般在高比压条件下工作，因此， 在挤压铝合金是时要求模具材料在常温下以值应大于1 5 0 0 肥。 ( 2 ) 高的耐磨性。即在高温( 挤压温度5 0 0 左右) 下有抵抗机械负荷的 能力( 保持形状的屈服强度和避免破断的强度和韧性) 而不过早地( 一般为5 5 0 以下) 产生退火和回火现象。生产经验表明，在工作温度下，挤压工具材料的仃。 不应低于6 5 0m p ，模具材料的仃。不应低于1 0 0 0 m p 。, , ( 3 ) 在常温和高温下具有高的冲击韧性和断裂韧性值，以防止工模具在低 应力条件下或在冲击载荷作用下产生脆断。 ( 4 ) 高的稳定性，即在高温下有抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。 ( 5 ) 高的耐磨性。即在长时间的高温高压和润滑条件不良的情况下，表面 有抵抗磨料磨损的能力，特别是在挤压铝合金时，有抵抗因金属的“粘结”作用而 磨损模具表面的能力 ( 6 ) 具有良好的淬透性。以确保工具的整个断面( 特别是大型工具的横断 面) 有高的且均匀的力学性能。 ( 7 ) 具有抗激冷、激热的适应能力。以抗高热应力和防止工具在连续、反 4 中南大学硕士学位论文 第l 章文献综述 复、长时间使用中产生热疲劳裂纹。 ( 8 ) 高导热性。这样能迅速的从工具的工作表面散发热量，防止被挤压工 件和工模本身产生局部过烧或损失应有的机械强度【7 1 。 ( 9 ) 抗反复循环应力性能强。即要求高的持久强度，防止过早疲劳破坏。 ( 1 0 ) 具有一定的抗腐蚀性和良好的可氮化特性。 ( 1 1 ) 具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能。 ( 1 2 ) 良好的工艺性能。即材料易于熔炼、锻造、加工和热处理。 ( 1 3 ) 所用的工模具材料在国内应易获得，并尽可能符合最佳经济原则，即 价廉物美。 为了满足上述要求，提高模具寿命，国内外对工模具进行了广泛的研究，并 研制出了大量的有价值的工模具材料。归纳起来用于制造热挤压模具的材料可分 为以下六类：即热挤压模具钢、高温合金、难熔金属合金、矿物陶瓷材料、金属 加氧化物复合材料、粉末烧结材料和硅浸渍铸铁材料。但目前，国内外仍是以热 挤压模具钢应用最为普通。在挤压铝、镁合金时，除了少数批量特别大或比压特 别高的难挤压成形的产品外，几乎全部采用热挤压模具钢。 1 2 4 铝型材挤压工模具的合理选材 为了提高模具的使用寿命，降低生产成本，提高产品质量，应根据产品品种、 产量大小、工模具的结构、形状和大小、工作条件以及钢材本身的熔铸、锻造、 机加工和热处理工艺性能、钢材的价格和货源等方面的情况，综合权衡利弊，选 择经济而合理的工模具材料【8 一。归纳起来，选择挤压工模具材料时一般考虑以 下几个方面的因素： 1 _ ) 被挤压金属或合金的性能 不同的金属或合金在挤压时具有不同的物理化学性能和力学性能，不同的 温度速度规范和不同的挤压工艺条件，所以，对工模具材料提出了不同的要求， 因此，应根据被挤压金属和合金的性能来选择最合理最经济的工模具材料。我国 选用3 c r 2 w 8 v ，4 c r 5 m o s i v l ，5 c r n i m o ，5 c r n i w 等作为基本工具的材料。 2 ) 产品品种，形状和规格 产品的品种，形状和规格对工模具材料也有不同的要求，挤压圆棒和圆管时， 可选用中等强度的5 c r n i m o ，5 c r n i w ，5 c r m n m o 等钢材或者强度更低的钢材来 制造模具和工具；而挤压具有复杂形状的空心型材和薄壁管材时应选用 4 c r 5 m o s i v l 和3 c r 2 w 8 v 等较高级的材料来制造工模具【i o j ； 3 1 挤压方法、工艺条件与设备结构 模具材料的合理选择与挤压方法有很大的关系，热挤压工模具材料要求较高 5 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 的热强度和热硬度，高的热稳定性和耐磨性等。静液挤压时，由于模具处于高压 液体包围之中，模子呈预应力状态，同时，静液挤压时的挤压比正，反向挤压时 都要低，故可选用3 c r 2 w 8 v 等模具钢来制造工模具。在挤压过程中，由于工艺 条件的变化，选择工模具材料也应做适当的变化。 4 ) 挤压工模具的结构形状和尺寸 挤压棒材，管材和普通实心型材的平面模，一般可选用5 c r n i m o 或 3 c r 2 w 8 v 钢材来制造，而形状复杂的特殊型材模和挤压空心型材用的舌型模， 平面分流组合模等必须用4 c r 5 m o s i v1 、3 c r 2 w 8 v 钢或更高级的材料来制造。 h 1 3 钢是一种典型的热作模具钢，具有优良的热强性、塑韧性、抗氧化性及 热疲劳抗力，一般在4 0 0 - - 6 0 0 c 热作场合下服役，适合制作各类热作模具，如压 铸模、热挤压模、高速锤锻模等；也可用于强韧性要求高的塑料模具、冷作模具。 h 1 3 钢主要含c r ，m o ，v 等合金元素。与高韧性热作模具钢5 c r n i m o 、5 c r m n m o 相比，h 1 3 钢具有更高的热强性、热稳定性和淬透性，因而可用于取代热强性不 足的5 c r n i m o 、5 c r m n m o 。来制造热锻模以提高使用寿命。与高热强性热作模 具钢3 c r 2 w 8 v 相比，h 1 3 钢具有高塑韧性和抗热冲击性，因此它成功地取代了 因韧性、热疲劳抗力不足而易引起失效的3 c r 2 w 8 v 来制造热作模具。由于h 1 3 钢良好的性价比，同时又由于其良好的工艺性能，目前该钢种已经成为国内外应 用最广泛的热作模具用钢【3 】。h 1 3 钢原是美国的一种钢种，它是一种应用比较广 泛的热作模具钢，世界各国都有应用。在我国一般称作4 c r 5 m o s i v l 钢，其化学 成分如表1 2 所示。 表1 - 2h 1 3 钢的化学成份及其质量分数 但是在服役状态下，模具在高温下承受强烈的各向冲击载荷，往往由于钢材 的强度和韧性不够，尤其横向韧性不够，造成型腔边缘或局部塌陷、断裂而早期 失效。为提高模具钢的质量和使用寿命，对h 1 3 钢的强度、韧性和等向性都提 出了更高的要求。采用常规冶炼、加工工艺生产的h 1 3 钢横向塑性和韧性数值 只相当于纵向塑性和韧性的2 0 3 0 ，而高等向性的h 1 3 钢横向塑性和韧性数 值可达到纵向塑性和韧性的8 0 以上，高等向性的h 1 3 钢的使用寿命是普通h 1 3 钢的2 3 倍i l u l 。 据文献报道【l l 】，影响h 1 3 性能的因素如下： ( 1 ) h 1 3 钢由于碳及合金元素的作用，特别是铬元素的作用，使铸锭在冷 却过程中，产生严重的宏观元素偏析，在铸锭的个别区域，特别是最后凝固的中 心区域，碳及合金元素富集到共晶成分，出现少量不平衡的亚稳定共晶碳化物， 6 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 共晶碳化物由边部向心部逐渐增加，使冲击韧性逐渐降低。宏观偏析严重的铸态 组织经过变形，具有不同化学成分的各显微区域拉长并形成带状组织，显著降低 h 1 3 的塑性指标，尤其是横向的冲击韧性，是造成模块低等向性的重要因素。缓 慢冷却h 1 3 钢会形成二次碳化物网络从而弱化晶界，造成裂纹优先在碳化物聚 集的晶界处形成并沿晶界扩展，降低冲击功。碳化物带状偏析和网状碳化物，经 常规终处理工艺处理后，往往不能消除，可以遗传到最终热处理的组织中，直接 影响最终热处理后的组织、性能。 ( 2 ) 电弧炉冶炼、电弧炉+ 炉外精炼、电弧炉+ 电渣重熔冶炼对横向和纵向 的强度影响不大，但对塑性和韧性影响较大，尤其是冲击韧性。经过炉外精炼、 电渣重熔的h 1 3 钢，降低了钢中夹杂物、s p 含量，提高钢的纯净度，使钢的塑 性和韧性提高，横向与纵向冲击韧性比值达到电炉冶炼h 1 3 钢的2 1 倍，从而提 高等向性。 ( 3 ) 钢锭高温均匀化消除了铸锭组织的非平衡状态，也消除了共晶碳化物、 碳化物带状的遗传影响。有利于提高垂直纤维方向的塑性、冲击韧性和疲劳强度， 使h 1 3 钢的等向性提高。锻造余热淬火工艺可以消除二次碳化物网状、细化奥 氏体晶粒、细化碳化物，实现碳化物和组织的双细化，从而提高h 1 3 钢的强韧 性和等向性，同时显著节约工时和能耗。 ( 4 ) 提高h 1 3 钢等向性的最佳工艺是，炉外精炼和电渣重熔，钢锭高温均 匀化，控制终锻温度、变形量，锻后余热淬火，高温回火工艺。 1 3h 1 3 钢的强化技术 1 3 1h 1 3 钢的热处理工艺 表1 - 3h 1 3 钢的临界温度及热加工参数 h 1 3 钢的临界温度及热加工参数如表1 3 所示，根据表1 3 制订合理的热处 理工艺f 1 2 j 。 ( 1 ) 退火工艺 h 1 3 钢属于过共析钢，采用常规完全退火或等温球化退火。h 1 3 钢的完 全退火工艺为：8 5 0 - - 9 0 0 。c x 3 , - - 4 h ，保温结束后随炉冷到5 0 0 以下出炉空冷； 等温球化退火工艺：8 4 5 9 0 0 x 2 - - 4 h 炉冷+ 7 0 0 - 7 4 0 x 3 - - - 4 h 炉冷，g o l l ， 7 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 墨5 0 0 出炉空冷；对于质量要求较高的h 1 3 钢模具，还应进行防止白点退火， 工艺周期较长；形状复杂的模具，在粗加工后应进行一次去应力退火： 6 0 0 - , - , 6 5 0 c x 2 h 炉冷；模具热处理后，若模具型腔采用磨削、电火花和线切割 等方法加工成形，会在模具的表面上形成一层厚约1 0 , - - , 3 0 1 m a 的淬火马氏体白亮 层，也称之为“异常层 。由于白亮层中的内应力较大，淬火马氏体本身又较脆， 磨削时容易在表面产生微裂纹和磨削裂纹，因而磨削加工后最好能在低于回火温 度5 0 以下进行去应力退火，以消除磨削应力，并使表面可能形成的淬火马氏体 回火韧化。 h 1 3 钢经退火处理后，适宜的组织由球状珠光体和少量粒状碳化物组成，要 求热处理硬度达到h b l 9 2 2 2 9 ，可以获得较好的加工性能。 ( 2 ) 淬火工艺 h 13 钢的淬火回火工艺可以采用盐浴炉、真空炉和流动粒子炉加热，模具表 面光洁，热处理变形小，零件寿命长。特别是外热式刚玉流动粒子炉保护加热， 吸收了盐浴炉和真空炉加热的共同优点，很适合热作模具钢的热处理加热。 h 1 3 钢采用盐浴炉作为加热设备时的通用淬火工艺是：4 0 0 , - - 5 0 0 预热， 6 5 0 - - , 8 4 0 预热，1 0 2 0 , - , 1 0 5 0 奥氏体化，保温结束后可视使用性能要求采用空淬、 油淬、气淬或分级淬火，分级温度可取5 0 0 , - - 5 4 0 。 在h 1 3 钢热处理加热过程中，首先采用4 0 0 , - , 8 4 0 c 的两段预热，然后再升至 奥氏体化温度。两段预热的目的是为了避免过快的加热会在模腔内形成的温度梯 度所引起的应力导致模具的畸变，还可有效地促进奥氏体均匀化。h 1 3 钢的奥氏 体化温度为1 0 2 0 - - , 1 0 5 0 ，实际淬火温度依据模具的工作条件、结构形状、制造 工艺和性能要求来确定，主要是考虑既要保证奥氏体中溶有足够的碳和合金元 素，以得到高的硬度和红硬性，又保证奥氏体晶粒尺寸小于a s t m 9 ，以获得足 够的韧性。因此，对断裂韧性、抗热疲劳和抗热磨损要求较高及淬火处理后需要 电力n - r _ 的模具，为了得到最高的红硬性，可采用奥氏体化温度上限；对于要求畸 变小、晶粒细、冲击韧性高的模具，为了得到最好的韧性和防止开裂，应采用奥 氏体化温度下限。淬火加热的保温时间的优选，应保证组织转变的完成和获得所 要求的合金元素固溶程度。淬火加热保温时间过短，将降低h 1 3 钢的红硬性及抗 回火能力。h 1 3 钢的淬火温度要比退火温度高，更应该采取措施防止氧化脱碳， 保证加热质量。 h 1 3 钢淬火时可采用空淬、气淬、油淬或者5 0 0 , , - 5 4 0 c 分级淬火【1 3 】。对于要 求高强韧性的模具，要用高的淬冷速度以抑制碳化物的沿晶析出和出现上贝氏 体，提高其强韧性和回火抗力。但冷却速度必须控制在不出现淬火开裂和畸变的 允许范围内。 8 中南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 h 1 3 钢淬火后组织是：板条马氏体+ 未溶碳化物+ 残余奥氏体。 ( 3 ) 回火工艺 h 1 3 钢淬火后应进行2 3 次回火，以期获得所要求的力学性能。淬火后的模 具温度在低于7 0 时就应尽快回火，这对尺寸较大、形状复杂的热作模具尤为重 要。同时，为避免热作模具回火时重新产生残余应力，回火加热和冷却应缓慢进 行。 h 1 3 钢的回火工艺应根据热作模具的工作条件和具体的失效形态来确定回 火温度和硬度。一般优质h 1 3 钢大都采用5 4 0 - - 6 5 0 c x 3 h 高温回火，以提高模具的 韧性和减少残余奥氏体( 在模具中发生转变而引起脆性。但高温回火易使热作 模具发生热磨损和堆塌失效。实践证明，h 1 3 钢采用3 5 0 左右的中低温回火后， 心部具有较好的强韧配合和热疲劳性能，同时也不会出现蓝脆现象。中低温回火 存在较高量的a r ，对弥补其韧性不足有一定作用。a r 的存在可使材料在断裂时吸 收更多的能量，并改变裂纹扩展方向及裂纹尖端的应力和应变状态，从而提高钢 的韧性。“残余奥氏体增韧 是热处理理论的新发展。 值得注意的是，h 1 3 钢在4 2 5 5 2 0 内回火时出现二次硬化的同时会出现第 二类回火脆性，显著降低冲击韧性。这是因为回火时在马氏体板条间析出较大的 碳化物，以及回火快冷时心转变为马氏体的缘故。消除或减轻回火脆性的措施有： 应选择冶金质量好、纯净度高的钢坯来锻造；在热处理过程中，通过形变 热处理或临界区淬火得到锯齿形晶界结构，细化晶粒和减少p ，s 杂质的晶界偏析； 采用二次回火，第二次回火温度低于第一次回火温度约1 0 ，保温时间缩短 2 0 - , 2 5 ，以减轻回火脆性；完全避免在脆性发展区内回火。 h 13 钢回火后的最终热处理组织是：回火马氏体+ 少量粒状碳化物，低于6 0 0 回火时仍保持马氏体板条状；当回火温度高于6 5 0 时，马氏体形态会逐渐消 失，转变为回火马氏体，引起h 1 3 钢热强性的严重恶化。因此说，h 1 3 钢是一种 性能优异的中温( 6 0 0 * ( 2 ) 热作模具钢。 相关文献【1 3 - 1 8 】还指出h 1 3 钢的传统热处理制度可以进一步优化，以使工模 具的性能得到最大化的提高，从而提高工模具的寿命。 ( 1 ) 真空热处理 经真空热处理的工模具可防止表面氧化、脱碳和有净化表面的作用，此外， 还有脱脂和脱气的作用 1 4 - 1 5 】。因此，真空热处理可改善工模具的热处理质量，减 少热处理变形，真空热处理后的工模具还有硬度分布均匀，质量稳定可靠，提高 工模具的使用寿命。此外真空热处理可简化工艺( 可实现淬火后少加工或无加工 工艺，降低加工成本，可快速加热和快速冷却，节省时间，可实现全过程自动化 及无公害操作等特点。近年来工模具的真空热处理已成为热处理新工艺的一个重 9 中南大学硕士学位论文第1 章文献综述 要发展倾向。 ( 2 ) 高温淬火 h 1 3 钢淬火工艺试验：5 5 0 x 2 m i n m m + 8 0 0 x 1 5 m i n m m 预热，最终加热温 度分别选用1 0 3 0 、1 0 5 0 、1 1 0 0 ，按l m i n m m 保温后油淬，6 0 0 x 2 h 两次回 火。通过对h 1 3 钢的高温淬火与常规淬火后的热疲劳和力学性能的比较，表明： 适当提高h 1 3 钢的淬火温度，可以提高o s 、0 0 2 以及热疲劳性能和回火稳定性； 当淬火温度达至u l l 0 0 时，奥氏体晶粒并没有明显长大，淬火组织是针状和 板条状马氏体的混合组织。 ( 3 ) 控制冷却速度淬火 国外应用h i t 法衄g hi m p a c t v a l u et r e a t m e n tp r o c e s s ) ，采用特殊的冷却控制方 法，以防止开裂和最大限度地减少热处理变形。实践证明，h 1 3 钢以不同冷却速 度淬火，回火到h r c 4 6 硬度后的冲击韧性相差可达1 0 倍；当淬火冷却速度达至u l o o 。c m i n 以上时，才能获得最高的韧性。随着模具材料硬度的提高，其影响也越大。 ( 4 ) 深冷处理 深冷处理是采用液态氮为冷却剂( 1 9 6 c ) ，利用汽化潜热的快速冷却方式， 将淬火后的模具冷至1 2 0 以下，并保持适当时间。h 1 3 钢实施深冷处理的目的 有：残余奥氏体几乎可以全部转变成马氏体；组织细化并可析出微细碳化 物；耐磨性比未深冷处理的模具高2 7 倍，比普通冷处理( o n 1 0 0 c ) 的模具高 1 - 3 倍；这还是一种稳定模具尺寸的工艺方法。 ( 5 ) 锻造余热淬火+ 高温回火代替传统的球化退火 工模具钢于9 0 0 - - 8 5 0 终锻后置于9 2 0 1 0 的炉子中停留2 0 m i n 后油冷， 接着进行7 2 0 1 0 保温1 5h 空冷的高温回火。之后再进行常规的热处理。此 种方法处理得到工模具碳化物颗粒细小、圆整、均匀分布，奥氏体晶粒细化，奥 氏体成分均匀，淬火马氏体组织细化，板条状马氏体的比例增加，从而使工模具 钢的强度和韧性显著提高，从而可延长使用寿命1 1 6 】。 ( 6 ) 分级淬火 h 1 3 钢具有高的淬透性，在空冷条件下即能获得马氏体组织，但在8 0 0 一 6 0 0 缓冷或冷却速