H13钢热处理资料

引言近年来, 随着模具工业的迅速发展, 模具钢的发展也极为迅速。

由于工业生产技术的发展和不断出现的新材料, 模具的工作条件日益苛刻, 对模具钢的性能、品质、品种等方面不断地提出了新的要求, 为此,世界各国近年来都积极开发了具有各种特性, 适应不同性能要求新型模具钢。

本文介绍了最具代表性的热作模具钢 H13 国内外的应用及其发展.H13 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 4Cr5MoSiV1 钢。

H13钢的含铬量为%～%。

一般来说, 含5%Cr的钢应具有高韧度, 故其含碳量应保持在形成少量合金碳化物的水平上。

Woodyatt和Krausst指出在870℃的Fe- Cr- C三元相图上, Hl3钢的位置在奥氏体和 (A+M3C+M7C3)三相区的交界位置处较好。

相应的含碳量约%[1]。

另外重要的是, 保持相对较低的含碳量是使钢的Ms点趋于相对较高的温度水平 (Hl3钢的Ms点一般资料介绍为340℃左右), 使该钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余奥氏体和残留均匀分布的合金碳化物组织, 较低的含碳量经回火后获得均匀的回火马氏体组织, 避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。

这些少量残余奥氏体在淬火以后的两次或三次回火过程中应可达到转变完全[2]。

顺便指出, H13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。

众所周知, 钢中增加碳含量将提高钢的强度, 对热作模具钢而言, 会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高, 但会导致其韧度降低。

有学者在文献[3]中将各类H型钢的性能比较证明了这个观点。

通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为%。

为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则: 在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量, 有资料已提出: 在钢抗拉强度达1550MPa以上时, 含C量在%～%为宜[2]。

H13钢的强度Rm为(46HRC)和(51HRC)。

H13 钢中主要合金元素的作用如下[4,5,6]:铬: 铬在钢中可形成铬的碳化物, 能提高钢的高温强度和耐磨性, 使C曲线右移, 提高钢的淬透性和回火稳定性。

铬和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力, 所以H13钢在空冷条件下能够淬硬。

在6barN2气体真空处理条件下可淬透直径为160mm。

但铬的加入会增加碳化物的不均匀程度,致使钢中会出现亚稳定的共晶碳化物, 这种碳化物现在国内一般可用高碳铬轴承钢相关标准予以评定。

铬含量的提高有利于增加材料的热强度, 但对韧度不利。

钼: 钼也是碳化物形成元素, 和铬一样, 可提高钢的高温硬度和淬透性。

此外, 钼还可细化晶粒, 减小回火脆性。

钒: 钒比铬和钼更容易形成碳化物, 极少溶入铁的固溶体中。

钒的碳化物使钢具有良好的热硬性, 并可细化晶粒, 提高钢的耐磨性。

硅: 硅是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素, 仅次于磷, 但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。

一般都将硅限制在钢脱氧需要的范围内。

如果将 Si 作为合金元素加入钢中, 其量一般不小于%。

硅也为提高回火抗力的有效元素。

Si 降低碳在铁素体中的扩散速度, 使回火时析出的碳化物不易聚集, 增加回火稳定性。

另外, 硅易使钢呈现带状组织,使钢的横向性能比纵向性能差, 也使钢的脆性转折温度升高。

Si 还具有促进钢的脱碳敏感性, 但 Si 有利于高温抗氧化性的提高。

锰: 锰可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。

同时它与 S 有较大的亲合力, 可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物 FeS, 而以具有一定塑性的 MnS 存在, 从而消除硫的有害影响, 改善钢的热加工性能[7]。

Mn 具有固溶强化作用, 从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度, 虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅, 但其对钢的延展性几乎没有影响。

在铁素体-珠光体型钢中 Mn 是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。

H13 钢的成分H13钢(4Cr5MoSiV1)是目前国内外广泛使用的热作模具钢,其化学成分(%)为:0·32~0·45C,0·80~1·20Si,0·20~0·50Mn,4·75~5·50Cr,1·10~1·75Mo,0·80~1·20V,P≤0·030,S≤0·030。

因其具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能,故被广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模,工作时温度可达600℃,工作条件恶劣,主要失效形式为热磨损(熔损)和热疲劳,要求表面具有高硬度、耐蚀、抗粘结等性能。

H13钢常规淬火、回火后的硬度一般为42~48 HRC,耐磨性不足,模具使用寿命短。

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H13钢模具进行表面改性处理,是综合改善模具寿命的关键H13 钢的冶金品质目前, 国外己广泛采用电炉加电渣重熔的工艺冶炼H13钢[8], 以提高H13钢的纯净度, 减少含硫量。

当硫的质量分数低于%时, 就可以大大提高H13钢材的KID值, 国外H13钢的含硫量要求质量分数控制在%～%之间。

我国大冶特殊钢股份有限公司采用电炉冶炼+浇铸180mm方电极棒+电渣重熔+加工成材这一生产工艺, 每年可以生产2000t左右电渣钢, 钢材化学成份均匀, 组织致密, 有较好的等向性和纯净度[9]。

H13钢是合金元素含量较高的过共析钢, 在冶炼、铸造时会出现碳化物偏析, 在钢厂经锻轧后形成粗大的碳化物带。

其中碳化物的数量、大小及分布状态直接影响钢材的组织及性能。

为了改善模具最终热处理后的组织性能, 瑞典福玻斯公司从20世纪60年代中期已开始使用一种组织处理的方法, 可以大幅提高H13钢铸模的寿命。

国内的上海劳动机械厂, 上海锻压机床厂对H13钢半精锻热锻模均进行“组织处理”[10,11,12]。

国内已对H13钢进行了系统的预处理工艺试验。

采用自动相分析技术对碳化物面积分数(A%)、平均粒径(d)和单位面积碳化物个数(Nc)进行了定量测定, 用拉伸法测定了常规力学性能。

预处理工艺, 并与常规球化退火工艺的组织性能进行了对比。

分析试验结果[13,14], 获得了以下有价值的结论:(1) 预热处理明显地改善了 H13 钢的组织, 有效消除了带状碳化物, 大大减少了粗大碳化物的数量,可获得分布均匀、尺寸细小的碳化物组织。

(2) 预热处理方法与常规球化退火(890℃左右)方法相比, 具有节约能源, 生产周期短等优点, 在强度、晶粒度基本上相当的前提下, 可提高钢材的塑性和韧性。

(3) 另外, 还有文献[11,12]提出一种 1170℃淬火+720℃回火后再淬火, 回火的工艺, 其目的与前述组织处理一样。

H13钢退火加热温度860℃～890℃,时间2～4h，硬度≤229HBW。

H13钢淬火H13钢的奥氏体化温度范围为1000℃～1050℃,油冷或空冷，硬度56～58HRC, 为了得到高的红硬性, 可采用奥氏体化温度上限; 为得到好的韧性和防止开裂, 可采用奥氏体化温度下限。

实际淬火温度的选定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ASTM9以保证足够的韧性。

淬火温度比退火温度要高, 更应采取措施防止氧化脱碳。

H13钢回火H13 钢的淬火组织是板条马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体, 为了消除淬火应力和残余奥氏体, 并使马氏体韧化, 必须进行 2～3 次高温回火。

通常, 淬火后的模具温度在低于70℃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。

为了避免热作模回火时重新产生残余应力, 在回火加热和冷却时应缓慢进行。

在 1020℃淬火条件下, H13 钢回火温度的选择决定于模具的工作条件和硬度要求。

一般国内外热作模具钢 H13 钢都采用 540℃～650℃的高温回火, 以提高模具的韧性, 但高温回火易使热作模具发生热磨损从而失效。

实践证明, H13 钢采用 350℃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, 同时可不出现兰脆现象[19]。

残余奥氏体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。

H13钢氮碳共渗H13钢由于渗氮化合物中的ε相韧性较低,膨胀系数较大,对热疲劳性能产生不利影响。

而软氮化时,由于C在ε相中的溶解度高(550℃时达3·8%),软氮化的表层是C、N共同的化合物,这种化合物韧性好且耐磨。

软氮化温度在565℃以下附近较好,既能保证渗速,又能使形成的ε+γ′相所需的N浓度较高,可以在表层形成ε之前有更多的N渗入基体,这样在第二阶段[N]原子扩散时,有利于形成合理的扩散层。

软氮化时间以2~4 h为宜,超过6 h,渗层不再增加,硬度在2~3 h达到最大值。

实践证明,用氨气与酒精作渗剂,比较合理的气体软氮化工艺为540℃氨分解率20%~30%,3~4 h,再于560℃,氨分解率40%~45%,1~2 h(酒精60~80滴/min),油冷。

N-C-V共渗[6]H13钢在常规盐浴N-C共渗时,在以尿素和碳酸盐为主的盐浴中加入适当的含V剂、还原剂及活性剂等,可实现V与N、C的共渗。

共渗温度为550~560℃,时间2~4 h。

由于金属V原子的渗入,过渡层中N原子的扩散与分布比较均匀,而且形成大量细小、弥散的VC、VN硬质相,使得其它合金氮化物也细小、均匀分布,渗后硬度可达1 300 HV 以上,比普通软氮化进一步提高了模具的热强性和耐磨性。

由于在表面以下数十微米深度处仍有大量N、C化合物,使得从表面至心部硬度梯度变化较平缓,也提高了模具表层的承载能力。

如铝型材厂的平面模,长期采用气体低温N-C共渗工艺,每共渗一次可挤压铝锭1·5~2·5 t;而采用上述N-C-V工艺后,一次可挤压铝型材5·3 t,寿命提高了1倍多,效益明显。