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    模具鋼材H13的微合金化應(yīng)用
    發(fā)布者:shweilimj  發(fā)布時間:2011-07-06 07:45:53

    模具鋼材H13的微合金化應(yīng)用

    目前,國內(nèi)外改進(jìn)型H13鋼的合金化思路包括:①提高Mn含量;②降低Si含量提高Mo含量,如ASSAB公司的Dievar;③ 高碳高硅、低Cr、高Mo,如Uddeholm公司的HOTVAR專利鋼;④加入微合金元素Nb、Ti等。其中低SiMo的合金化途徑與加Nb合金化的方法是當(dāng)前H13鋼成分設(shè)計上的兩種趨勢。

    ㈠低SiMo合金化

    ⒈對于Si含量降低的作用有:(1)“∨”形或“∧”形偏析減輕;(2)宏觀組織均勻化;(3)微觀凝固組織的樹枝晶細(xì)化;(4)減少凝固時凝固界面上的成分過冷;(5)共晶碳化物的減少;(6)奧氏體晶粒細(xì)化;(7)塑性和韌度提高;(8)高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速度減;(9)蠕變裂紋擴(kuò)展速度降低;(10)淬火冷卻抑制貝氏體轉(zhuǎn)變;(1)抗熱裂性提高。但Si含量降低帶來的不足是切削性能降低。

    ⒉對于高Mo的優(yōu)點有:(1)提高淬透性,抑制晶界碳化物的析出和貝氏體轉(zhuǎn)變;(2)提高回火抗力;(3)提高高溫強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度;(4)提高抗熱裂能力;(5)提高韌度;(6)共晶碳化物細(xì)化和碳化物分布均勻。關(guān)于抑制貝氏體轉(zhuǎn)變有資料報道:對610mm×203mmX 500mmH13模塊經(jīng)3bar氮氣氣淬后心部和表面的貝氏體量分別達(dá)70%40%,而對低SiMoSKD61鋼相應(yīng)僅有2%和1%,這對模具使用壽命的提高十分有利。

    ⒊閔永安,吳曉春等學(xué)者在熱作模具鋼H13的基礎(chǔ)上降低Si、V含量,提高Mo含量,研制了新鋼種SDH8。通過對比試驗對SDH8H13進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,經(jīng)同樣的熔煉及常規(guī)熱處理,室溫時SDH8鋼的硬度和沖擊韌性都高于H13鋼,而在中低溫淬火后差值更大,且此時SDH8鋼的熱穩(wěn)定性也明顯高于H13鋼,在相同熱處理條件下SDH8鋼的硬度明顯

    H13鋼高,并顯示出比H13鋼優(yōu)越的熱穩(wěn)定性。

    ㈡添加Nb合金化

    H13鋼中加入Nb的作用:鈮的碳化物(和碳氮化合物)具有很高的高溫穩(wěn)定性,Nb相對于V更易形成穩(wěn)定、細(xì)小的MC型碳化物,要達(dá)到相同的強(qiáng)化效果,用Nb量僅需V12 。此外,由于Nb形成的MC型碳化物更為穩(wěn)定細(xì)小,因而有助于提高奧氏體化溫度,并阻止奧氏體晶粒長大。較高的奧氏體化溫度可將部分粗大的碳化物充分溶解,使馬氏體中碳和合金元素含量增加,提高淬火硬度;同時,淬火溫度的提高有助于回火時彌散碳化物的析出,增加二次硬化效果,進(jìn)一步提高強(qiáng)韌性、回火穩(wěn)定性和熱疲勞抗力。李麟、吳曉春等學(xué)者在H13鋼合金成分設(shè)計中添加了0.01的鈮,研究表明,其力學(xué)性能沒有明顯改善,但其熱穩(wěn)定性、回火穩(wěn)定性及抗高溫氧化性能有一定提高。同時發(fā)現(xiàn),在H13鋼中添加微量的鈮可阻礙熱疲勞裂紋的擴(kuò)展,提高熱疲勞抗力,顯著改善H13鋼的熱疲勞性能。

    模具鋼材H13的表面處理工藝

    ㈠表面低溫化學(xué)熱處理

    常用工藝有軟氮化、三元共滲及多元共滲等。

    NC共滲(軟氮化)

    模具鋼材H13中有較多的CrMo等元素,軟氮化時能在表層生成穩(wěn)定的CN化合物并彌散分布,有利于提高H13鋼熱作模具的耐蝕性、抗粘結(jié)性及抗熱疲勞性能,此外,這種化合物韌性好且耐磨,可減少模具表面的磨損。離子氮化時滲氮化合物中e相韌性低,膨脹系數(shù)大,對熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響,軟氮化則能避免此缺點。

    NC共滲

    N-C共滲由于時間短,效果好,工藝較成熟而應(yīng)用廣泛。實踐證明,H13鋼鹽浴法SN、C共滲較適宜的溫度為570 ,時間為3 h,表面硬度> 950 HV,滲層致密,抗粘結(jié)性、耐蝕性及抗熱疲勞性能均較好_2 。H13鋼在S-NC共滲時,若加入適量稀土,可使?jié)B層硬度提高,厚度增加,組織更加致密。

    ⒊多元共滲

    比較典型的多元共滲工藝為C、N、O、S、B五元共滲。H13鋼經(jīng)五元共滲后,在工件表面形成硼化物、碳化物和氮化物,起彌散強(qiáng)化作用,使工件表層的硬度明顯提高,擴(kuò)散層則滲入了氮和碳,硬度有所提高。對比試驗表明,五元共滲的硬化效果比氣體滲氮和S、CN三元共滲都好,雖然熱疲勞裂紋起源較早,但不向縱深擴(kuò)展,因而改善了熱疲勞抗力。廣東某公司為多家鋁型材廠生產(chǎn)處理熱擠壓模具,擠壓模多采用H13鋼制造,早先使用普通滲氮工藝,效果不盡人意,后改用C、N、O、S、B多元共滲,模具的耐磨性、熱疲勞抗力等性能均得到大幅度提高,使用壽命提高56倍,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 。

    ㈡高能束表面處理

    高能束處理特點:加熱速度快,加熱面積可根據(jù)需要選擇,工件變形小,不需要冷卻介質(zhì),處理環(huán)境清潔。

    ⒈激光表面處理

    H13鋼常規(guī)熱處理后硬度為44HRC,經(jīng)激光淬火,由于得到以超細(xì)化高密度位錯型馬氏體為主的組織,以及激光加熱后自回火過程中析出彌散碳化物,使得淬硬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高,表面硬度高達(dá)62HRC。激光熔覆技術(shù)通過在模具表面覆蓋一層熔覆材料,以改善表面性能 。在H13鋼表面熔覆一層Co基合金(> 40%Co+多量Cr、Ni等元素),可得到比H13鋼好得多的高溫硬度、熱疲勞抗力及抗循環(huán)軟化能力。

    ⒉高能束表面合金化

    對于H13鋼模具,尤其鋁合金壓鑄模,可以先在電弧離子鍍設(shè)備上沉積一層鋁膜,然后采用電子束輻照處理技術(shù),在真空條件下對模具表面進(jìn)行15次轟擊處理,使在模具表面產(chǎn)生約10μm左右的致密氧化膜。這樣可有效地改善模具表面的抗氧化能力、熱疲勞抗力、耐磨性等性能。

    ㈢復(fù)合處理

    RodriguezBaracaldoR等人一 H13鋼進(jìn)行了兩種表面改性處理,一種是在基體上直接PVD沉積TiMN涂層,另一種則先在基體上進(jìn)行氣體氮化處理,然后進(jìn)行PVD沉積TiAIN涂層,形成復(fù)合層。研究表明:復(fù)合層的耐磨性能最好,單一氮化物涂層的耐磨性能較單一TiA1N涂層好,前者比后者約高5倍左右。

    Sang Yul Lee對模具鋼材H13先進(jìn)行等離子氮化處理,然后進(jìn)行非平衡磁控濺射,制備了3種復(fù)合涂層:TiN、CrN、TiNCrN。研究表明:TiN CrN復(fù)合涂層的硬度最高,為36GPaTiN26GPa;CrN22GPa。同時,TiNCrN復(fù)合涂層的粘附性能、550時的沖擊性能均較其它兩種復(fù)合涂層好。

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