摘要 近年來隨著工業的發展,鍛件重量越來越大,質量要求也越來越高,與之配套熱壓模具越來越大,所承受的壓力達四萬噸或更高。本文通過對H13熱處理工藝參數與機械性能的關系的試驗研究,確定了合理的熱處理工藝。成功研制了材料H13,硬度要求HRC40-45,外形尺寸4200*2200*550mm,壓機為四萬噸油壓機,成型材料是耐高溫合金壓機模具。在生產應用中,取得了良好的效果。
關鍵詞 特大型模具 H13 熱處理
一.H13的主要化學成分及臨界點
H13的主要化學成分
元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V |
標準值 | 0.32-0.45 | 0.80-1.20 | 0.20-0.50 | 4.75-5.50 | 1.10-1.75 | 0.80-1.20 |
實際值 | 0.39 | 0.99 | 0.29 | 5.16 | 1.23 | 0.87 |
H13鋼等溫轉變曲線和連續冷卻轉變曲線。
H13鋼的臨界點Ac1 850℃ Ac3 910℃ Ar1 700℃ Ar3 820℃
Ms 335℃
二.工藝試驗及結果
1. 淬火溫度對H13的影響
1).H13不同淬火溫度對硬度影響
2).H13不同淬火溫度對機械性能的影響
在1000-1100℃范圍內隨淬火溫度的升高,H13的抗拉強度。屈服強度呈上升趨勢,延伸率呈波浪式;洛氏硬度隨淬火溫度的升高而升高,這是隨著淬火溫度的升高,加速碳化物的溶解,使淬火后的馬氏體中碳和合金元素增加,從而提高了淬火后的強度和硬度。
3).H13不同淬火溫度對晶粒度影響
H13的晶粒度在1000-1060℃范圍內加熱淬火,晶粒度幾乎沒有變化,一旦超過1080℃后便開始長大。對鋼的塑性和韌性都有很大影響。所以合理的淬火溫度為1040℃
1040℃淬火組織 1080℃淬火組織
腐蝕劑:苦味酸水溶液 放大倍數500×
2.回火溫度對H13的影響
1).H13在1040℃下淬火,回火溫度對硬度影響
回火 在1040℃淬火后,隨回火溫度的升高,硬度開始下降,但下降到一定程度后硬度又開始上升,約在520℃左右回火時,硬度達到最高值,之后隨回火溫度的升高,硬度又開始下降。這是因為隨著回火溫度的升高,馬氏體中析出碳化物,馬氏體中含碳量下降,鋼的硬度下降。當回火溫度升高到一定溫度時,從馬氏體中析出了特殊碳化物,造成“二次硬化”,使硬度再次升高。
2).H13在1040℃下淬火,不同回火溫度下室溫拉伸性能
回火溫度℃ | Rp(Mpa) | Rm(Mpa) | A(%) | Z(%) |
550 | 1650 | 1830 | 46.5 | 8.8 |
600 | 1220 | 1380 | 51.1 | 13 |
根據回火溫度與硬度和機械性能的關系,滿足HRC40-45的硬度,回火溫度在580℃左右為宜。
3). H13硬度分布曲線 在1040℃下淬火,580℃回火試塊尺寸550*550*550mm的硬度分布
三.結果分析
H13鋼屬于中碳高合金鋼,它具有(1)高硬度高強度和高韌性;(2)高淬透性,厚度550mm模具表面硬度和心部硬度基本一致。(3)優良的抗熱裂性;(4)高溫下具有高的抗軟化性能;(5)良好的加工性。
H13鋼中的碳化物大部分是M23C6型鉻的碳化物,還有少量的M6C和MC型碳化物。將鋼加熱到1050-1070℃,M23C6型鉻的碳化物急劇溶解,加熱到1110℃時基本溶完,因此最佳的奧氏體化溫度應選擇在1020-1080℃范圍內為宜,從1080℃加熱開始,奧氏體晶粒將明顯長大。對于要求熱硬性為主的模具,應選在1050-1080℃加熱,油冷淬火后硬度可達53-55HRC,晶粒度9級,組織為細針馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。馬氏體長為1.5-2級,未溶碳化物程點狀,數量不多。對于要求韌性較好的模具,可選擇1020-1050℃,油淬火后硬度為50-54HRC,晶粒度9-10級,組織為細針馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。馬氏體長為1級左右,碳化物較多,但仍為點狀。
四.模具熱處理
一.H13鋼的鍛造 由于H13鋼碳化物易帶狀偏析,亞穩定共晶碳化物,因此要進行充分鍛造,以減少模具淬火開裂和應力集中。鍛造加熱溫度1110-1160℃,始鍛溫度1060-1150℃,終鍛溫度850℃。模坯要進行六面鍛造,鍛造比大于5.
鍛后退火 鍛造后應立即進行球化退火。球化退火溫度不宜過高,過高時較多的碳化物溶入了奧氏體,使奧氏體中合金元素Cr、Mo、V及碳的含量大大提高,奧氏體穩定性增加,很難達到球化退火的目的。
理想的球化退火工藝:880℃加熱,保溫8h,降至750℃,在等溫20h爐冷到500℃左右出爐。退火后組織為點狀和小球狀珠光體。退火后的硬度HB196-218范圍內。
退火后的組織照片 球化組織
腐蝕劑:苦味酸水溶液 放大倍數500×
根據模具的硬度和韌性要求,我們選定淬火溫度為1040℃。由于H13鋼合金元素多,保證傳熱均勻,減少應力,應采取2次預熱,緩慢升溫(≤60℃/h)在650℃保溫4小時,再緩慢升溫(≤60℃/h)在850℃保溫4小時,升至淬火溫度1040℃保溫6h.
淬火 對于這種特大型模具,為了使硬度均勻,避免心部出現貝氏體和過多的殘余奧氏體,采用油冷的方法比較合適。
根據硬度要求,選擇580℃回火,回火保溫時間36小時,為減少殘余奧氏體量,再進行一次補充回火,回火溫度560℃,保溫時間28小時。
模具在1040℃溫度下淬火,580℃二次回火后金相組織。圖
腐蝕劑:4%硝酸酒精溶液 放大倍數500×
經檢驗熱處理后的硬度43-45HRC。
熱處理后機械性能Rp=1354MPa Rm=1555Mpa A=11.5%Z=47%
結論 H13鋼經過充分鍛造和球化處理,緩慢預熱,在1030-1050℃加熱保溫,油淬,經580℃回火兩次,其奧氏體晶粒沒有明細長大,綜合性能較佳,硬度滿足HRC40-45的要求,組織均勻,模具壽命大大提高。
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