h13钢热挤压模具热处理工艺的

h13钢热挤压模具热处理工艺的内容摘要：

具有高的淬透性，在空冷条件下既能获得马氏体组织，但在 800~600℃缓冷或冷却速度不够时有二次氮化物沿晶界析出的倾向，会增加模具的脆性； 并且在贝氏体转变 温度（ 400~200℃）时会得到不希望出现的贝氏体组织；因此为了获 得满意的使用寿命，且减少工件表面与心部的温差，从而有效减少淬火变形，大型复杂 的压铸模工件多采用分级淬火工艺： 600℃、 800℃二级预热， 1020℃加热淬火，气冷至 工件表面温度 400177。 50℃时分级，通过调整风机转速，使工件表面在此范围内停留 30min， 快速冷却至表面 200℃后缓冷。 分级淬火方法减少大型压铸模具热处理微变形工艺问题 后，可节约热处理后的后续加工费用，产生的经济效益显著 【 10】 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，为了减少残余奥氏体，消除残余应力，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；回火处理时，加热和冷却都应缓慢进行，常州机电职业技术学院 毕业论文 第 9页 共 37页 以避免重新产生残余应力。 一般国内外热挤压模具钢 H13 钢都采用 540~650℃的高温回火，以提高模具的韧性，但高温回火易使热挤压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，同时可不出现蓝脆现象 【 11】。 残余奥氏体的存在可 使材料在断裂时吸收更多的能量，并改变裂纹的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。 如图 H13 钢在 425~520℃范围内回火时在出现二次硬化的同时出现回火脆性，冲击韧性也显著降低。 关于回火脆性，大部分研究解释为马氏体条间析出较大的碳化物，以及残余奥氏体的分解所导致 【 12】。 所以 H13 钢回火时应避免在回火脆性发展区内进行。 H13 钢回火组织为回火马氏体 +少量粒状碳化物，低于 600℃回火的组织仍保持马氏体板条形态；当回火温度高于 650℃时，马氏体形态消失，组织为回火索氏体。 常州机电职业技术学院 毕业论文 第 10页 共 37页 常州机电职业技术学院 毕业论文 第 11页 共 37页 H13 钢的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 600℃回火时仍保持马氏体板条状；当回火温度高于 650℃时，马氏体形态会逐渐消失，转变为回火马氏体，引起 H13 钢强热性的严重恶化。 因此说， H13 钢是一种性能优异的中温（ 600℃）热挤压模具钢。 H13 钢的表面处理方法 模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。 这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦 系数、疲劳性能等。 这些性能的改善，单纯依赖集体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也是表面处理技术得到迅速发展的真正原因。 模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。 为了更好的改善 H13 钢的表面性能， 1985 年瑞士的 等人对 H13 钢的表面进行了离子渗氮处理。 随后出现了许多针对 H13 钢表面的处理方法。 这些方法主要集中在表面改性 和表面镀层。 钢常用的表面改性方法 下面是近年来对 H13 钢表面改性的常用方法： （ 1）表面低温化学热处理低温化学热处理可以提高 H13 钢的抗热疲劳、耐热磨损和耐蚀性能，而且工艺成本低廉，故应用广泛。 常用的工艺有渗氮 (气体渗氮和离子渗氮 )、 NC 共渗以及多元共渗等 【 15】。 气体渗氮：气体渗氮介质通常是氨或者氨与氮的混合物。 氨分解率对渗氮层硬度和深度影响较大，主要是在渗氮初期，一般控制渗氮初期几小时内采用较低的氨分解率，而此后采用较高的氨分解率。 渗氮层深度与渗氮温度近似直线关系，与 渗氮时间遵循抛物线关系。 渗氮热处理一般需要几十个小时。 离子渗氮：离子渗氮就是在真空中加入含氮元素的气体，把工件作为阴极，在阴极和阳极间施加高压，使气体产生辉光放电，一方面使工件加热，另一方面撞击工件表面使氮向工件内部扩散。 离子渗氮通常在 300~580℃内进行，温度低，时间短，深层致密，提高了渗氮件的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能。 H13 钢中有较多的 Cr、 Mo 等元素，氮化时能生成稳定的氮化物并使其弥散分布，有利于提高 H13 钢的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能。 实验表明：在 520℃左右对 H13 钢进行 以上的离子渗氮处理， 可以得到最佳的渗氮层组成相及表面硬度。 NC 共渗（软氮化）： H13 钢由于渗氮，化合物中的相韧性较低，膨胀系数较大，对热疲劳性能产生不利影响。 而 NC 共渗时，由于 C 在ε相中的溶解度高，软氮化的表层是 C、 N 共同的化合物，这种化合物韧性好切耐磨。 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 深入基体，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 2~4h 为宜超过 6h，渗层不再常州机电职业技术学院 毕业论文 第 12页 共 37页 增加，硬度在 2~3h 达到最大值。 多元共渗：比较典型的多元共渗工艺为 C、 N、O、 S、 B 五元共渗。 H13 钢 870℃预热， 1040℃真空油冷淬火至 150℃出炉， 590℃二次回火，硬度为 48~52HRC。 然后进行多元渗，共渗后渗层深度为 硬度为 58~62HRC。 H13 钢经五元共渗后，在工件表面形成硼化物、氮化物和碳化物，起到弥散强化作用，对比实验表明，硬化效果比气体渗氮要好，硬度下降平缓，红硬性、耐磨性明显提高。 虽然热疲劳裂纹起源较早，但不向纵深扩展 ，因而也改善了热疲劳抗力。 与普通渗氮相比，使用寿命提高 5~6 倍。 （ 2）高能束流表面处理 激光表面处理： H13 钢经激光淬火，表面硬度可达 62HRC 【 16】。 由于得到以超细化高密度为错型马氏体为主的组织，以及激光加热后自回火过程中析出的弥散氮化物，使得淬硬层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高。 激光熔覆技术通过在模具表面覆盖一层具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。 通过熔覆一层 Co 基合金（﹥ 40%Co+多量 Cr、 Ni 等元素），可得到逼 H13 钢好得多的高温硬度、热疲劳抗力及抗循环 软化能力 【 17】。 高能束表面合金化：高能束表面合金化是近年来发展的新兴技术，主要能源是激光束和电子束。 对于 H13 钢模具先在电弧离子镀设备上沉积一层铝膜，然后采用电子束辐照处理技术，在真空条件下对模具表面进行 15 次轰击处理。 铝在微秒级脉宽电子束的作用下瞬时加热到高温，溶入机体表面，实现表面的铝合金化，靠金属基体良好的导热性快速冷却。 同时，脉冲电子束在基体表面还会产生冲击波及冲击振动效应，使表面形成压应力。 这样复合处理后，在模具表面产生约 10um 左右的致密氧化膜。 有效地改善了模具表面的抗氧化能力 、热疲劳抗力、耐磨性等力学性能 (3)离子注入表面改性处理一些金属离子（如 Ti+、 W+、Mo+等）注入 H13 钢后，可使钢的表面硬度提高 40% 以上，摩擦系数降低 40%~80%，耐磨性提高几至几十倍，耐蚀性和抗高温氧化性能都有显著提高。 氮化层的组成 模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。 H13 钢中有较多的 Cr、 Mo 等元素，氮化时能生成稳定的氮化物并使其弥散分布，有利于提高 H13 钢的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能。 氮化层由表面的氮化层和次表面的扩散层构成。 氮 化层：主要由ε相（ Fe2N 为基体的固溶体）和γ’相 (Fe4N 为基体的固溶体 )组成，ε相和γ’相硬度高，而且形成的化合物层致密，具有很好的耐磨性。 ε相具有较高的电位， 它的抗腐蚀性能较稳定。 因而该层的主要作用是对抗磨损和腐蚀。 扩散层：固溶在铁素体内的 Mo、 V、 Cr 等元素与氮具有较强的亲和力，渗氮时与氮生成多种合金氮化物，显著提高渗氮层的硬度，且形成的各种氮化物相的比溶比铁大， 渗氮后表面形成了较大的残余压应力，可以抵消部分外加拉应力，使渗层疲劳强度显著 提高。 因而该层的主要作用是耐疲劳。 常州机电职业技术学院 毕业论文 第 13页 共 37页 渗氮处理常见的缺陷 渗氮处理常见的缺陷 【 18】主要有： （ 1）渗氮层硬度偏低 主要原因是钢的化学成分不符或混料等导致渗氮模具表层含氮量不足；钢件未经调制预处理，未获得氮化前所需细密的回火索氏体组织。 或虽经调制处理，但基体组织硬度低，渗氮硬化层如附在薄冰上。 （ 2）渗氮层浅 主要原因是渗氮炉的有效加热区间温差大，且不均匀；钢件表面有污物、锈迹和氧化物等 （ 3）渗氮层硬度不均，有软点 原因，原材料化学成分不均，偏析严重，晶粒粗大，奥氏体呈长条状，铁素体呈大块状和钢中有害杂质含量超标，导致最终淬火生成粗马氏体和 未溶解低硬度块状铁素体。 调制回火温度过高，造成基体硬度偏低等。 （ 4）氮化模具表面氧化 模具经氮化后正常颜色是无光泽银灰色，若表面出现蓝色、黄色或其他颜色，表明以被氧化，即影响外观，又会影响表面硬度和耐磨性。 原因主要是渗氮罐与炉盖密封不严。 （ 5）渗氮层脆性大、起泡剥落有裂纹 原因，原材料有带状组织和非金属夹杂物严重超标；模具设计不当，形状复杂，厚薄不均，有较多尖锐边角，和表面积过大，活性 N 原子从都方面同时深入，氮浓度高，形成167。 脆性相，结合不牢；因167。 相浓度大，渗层陡，大大削弱了氮化层与基体结合力，易起泡 ，在外力和渗后因冷速过大，产生较大内应力共同作用下，引起氮化层剥落和产生裂纹。 常州机电职业技术学院 毕业论文 第 14页 共 37页 本论文的研究目的及内容 本论文的研究目的 (1)本文通过观察热挤压模具 H13 钢的氮化层组织，测量氮化层的硬度来分析该 H13钢的失效问题。 并通过 x 射线衍射相分析 ,分析其性能。 （ 2）研究 H13 钢渗氮前的热处理工艺，通过金相实验观察不同情况下的淬火 +回火组织，并测量其硬度。 通过比较在不同的介质和回火温度下得到的显微组织和硬度，找到较好的热处理方法。 本文的研究内容 (1) H13 钢氮化层检测和失效分析 对从热挤压模具 H13 钢上截取的试样进行金相处理，并观察显微组织，测量硬度。 通过对 H13 钢组织观察和硬度测试结果的分析来研究氮化层组织和性能，并进行失效分析。 (2) 淬火和回火对 H13 钢组织性能的影响的研究 将 H13 钢。