摘要 近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展,鍛件重量越來(lái)越大,質(zhì)量要求也越來(lái)越高,與之配套熱壓模具越來(lái)越大,所承受的壓力達(dá)四萬(wàn)噸或更高。本文通過(guò)對(duì)H13熱處理工藝參數(shù)與機(jī)械性能的關(guān)系的試驗(yàn)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(jī)為四萬(wàn)噸油壓機(jī),成型材料是耐高溫合金壓機(jī)模具。在生產(chǎn)應(yīng)用中,取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞 特大型模具 H13 熱處理
一.H13的主要化學(xué)成分及臨界點(diǎn)
H13的主要化學(xué)成分
元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V |
標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際值 | 0.39 | 0.99 | 0.29 | 5.16 | 1.23 | 0.87 |
H13鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。
H13鋼的臨界點(diǎn)Ac1 850℃ Ac3 910℃ Ar1 700℃ Ar3 820℃
Ms 335℃
二.工藝試驗(yàn)及結(jié)果
1. 淬火溫度對(duì)H13的影響
1).H13不同淬火溫度對(duì)硬度影響
2).H13不同淬火溫度對(duì)機(jī)械性能的影響
在1000-1100℃范圍內(nèi)隨淬火溫度的升高,H13的抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),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(qiáng)度和硬度。
3).H13不同淬火溫度對(duì)晶粒度影響
H13的晶粒度在1000-1060℃范圍內(nèi)加熱淬火,晶粒度幾乎沒(méi)有變化,一旦超過(guò)1080℃后便開(kāi)始長(zhǎng)大。對(duì)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(shù)500×
2.回火溫度對(duì)H13的影響
1).H13在1040℃下淬火,回火溫度對(duì)硬度影響
回火 在1040℃淬火后,隨回火溫度的升高,硬度開(kāi)始下降,但下降到一定程度后硬度又開(kāi)始上升,約在520℃左右回火時(shí),硬度達(dá)到最高值,之后隨回火溫度的升高,硬度又開(kāi)始下降。這是因?yàn)殡S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(dāng)回火溫度升高到一定溫度時(shí),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(jù)回火溫度與硬度和機(jī)械性能的關(guān)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(jié)果分析
H13鋼屬于中碳高合金鋼,它具有(1)高硬度高強(qiáng)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(yōu)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(shí)基本溶完,因此最佳的奧氏體化溫度應(yīng)選擇在1020-1080℃范圍內(nèi)為宜,從1080℃加熱開(kāi)始,奧氏體晶粒將明顯長(zhǎng)大。對(duì)于要求熱硬性為主的模具,應(yīng)選在1050-1080℃加熱,油冷淬火后硬度可達(dá)53-55HRC,晶粒度9級(jí),組織為細(xì)針馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。馬氏體長(zhǎng)為1.5-2級(jí),未溶碳化物程點(diǎn)狀,數(shù)量不多。對(duì)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(jí),組織為細(xì)針馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。馬氏體長(zhǎng)為1級(jí)左右,碳化物較多,但仍為點(diǎn)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(wěn)定共晶碳化物,因此要進(jìn)行充分鍛造,以減少模具淬火開(kāi)裂和應(yīng)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(jìn)行六面鍛造,鍛造比大于5.
鍛后退火 鍛造后應(yīng)立即進(jìn)行球化退火。球化退火溫度不宜過(guò)高,過(guò)高時(shí)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(wěn)定性增加,很難達(dá)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(diǎn)狀和小球狀珠光體。退火后的硬度HB196-218范圍內(nèi)。
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(shù)500×
根據(jù)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(yīng)力,應(yīng)采取2次預(yù)熱,緩慢升溫(≤60℃/h)在650℃保溫4小時(shí),再緩慢升溫(≤60℃/h)在850℃保溫4小時(shí),升至淬火溫度1040℃保溫6h.
淬火 對(duì)于這種特大型模具,為了使硬度均勻,避免心部出現(xiàn)貝氏體和過(guò)多的殘余奧氏體,采用油冷的方法比較合適。
根據(jù)硬度要求,選擇580℃回火,回火保溫時(shí)間36小時(shí),為減少殘余奧氏體量,再進(jìn)行一次補(bǔ)充回火,回火溫度560℃,保溫時(shí)間28小時(shí)。
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(shù)500×
經(jīng)檢驗(yàn)熱處理后的硬度43-45HRC。
熱處理后機(jī)械性能Rp=1354MPa Rm=1555Mpa A=11.5%Z=47%
結(jié)論 H13鋼經(jīng)過(guò)充分鍛造和球化處理,緩慢預(yù)熱,在1030-1050℃加熱保溫,油淬,經(jīng)580℃回火兩次,其奧氏體晶粒沒(méi)有明細(xì)長(zhǎng)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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