摘要 近年来随着工业的发展,锻件重量越来越大,质量要求也越来越高,与之配套热压模具越来越大,所承受的压力达四万吨或更高。本文通过对H13热处理工艺参数与机械性能的关系的试验研究,确定了合理的热处理工艺。成功研制了材料H13,硬度要求HRC40-45,外形尺寸4200*2200*550mm,压机为四万吨油压机,成型材料是耐高温合金压机模具。在生产应用中,取得了良好的效果。
关键词 特大型模具 H13 热处理
一.H13的主要化学成分及临界点
H13的主要化学成分
元素 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V |
标准值 | 0.32-0.45 | 0.80-1.20 | 0.20-0.50 | 4.75-5.50 | 1.10-1.75 | 0.80-1.20 |
实际值 | 0.39 | 0.99 | 0.29 | 5.16 | 1.23 | 0.87 |
H13钢等温转变曲线和连续冷却转变曲线。
H13钢的临界点Ac1 850℃ Ac3 910℃ Ar1 700℃ Ar3 820℃
Ms 335℃
二.工艺试验及结果
1. 淬火温度对H13的影响
1).H13不同淬火温度对硬度影响
2).H13不同淬火温度对机械性能的影响
在1000-1100℃范围内随淬火温度的升高,H13的抗拉强度。屈服强度呈上升趋势,延伸率呈波浪式;洛氏硬度随淬火温度的升高而升高,这是随着淬火温度的升高,加速碳化物的溶解,使淬火后的马氏体中碳和合金元素增加,从而提高了淬火后的强度和硬度。
3).H13不同淬火温度对晶粒度影响
H13的晶粒度在1000-1060℃范围内加热淬火,晶粒度几乎没有变化,一旦超过1080℃后便开始长大。对钢的塑性和韧性都有很大影响。所以合理的淬火温度为1040℃
1040℃淬火组织 1080℃淬火组织
腐蚀剂:苦味酸水溶液 放大倍数500×
2.回火温度对H13的影响
1).H13在1040℃下淬火,回火温度对硬度影响
回火 在1040℃淬火后,随回火温度的升高,硬度开始下降,但下降到一定程度后硬度又开始上升,约在520℃左右回火时,硬度达到最高值,之后随回火温度的升高,硬度又开始下降。这是因为随着回火温度的升高,马氏体中析出碳化物,马氏体中含碳量下降,钢的硬度下降。当回火温度升高到一定温度时,从马氏体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,不同回火温度下室温拉伸性能
回火温度℃ | Rp(Mpa) | Rm(Mpa) | A(%) | Z(%) |
550 | 1650 | 1830 | 46.5 | 8.8 |
600 | 1220 | 1380 | 51.1 | 13 |
根据回火温度与硬度和机械性能的关系,满足HRC40-45的硬度,回火温度在580℃左右为宜。
3). H13硬度分布曲线 在1040℃下淬火,580℃回火试块尺寸550*550*550mm的硬度分布
三.结果分析
H13钢属于中碳高合金钢,它具有(1)高硬度高强度和高韧性;(2)高淬透性,厚度550mm模具表面硬度和心部硬度基本一致。(3)优良的抗热裂性;(4)高温下具有高的抗软化性能;(5)良好的加工性。
H13钢中的碳化物大部分是M23C6型铬的碳化物,还有少量的M6C和MC型碳化物。将钢加热到1050-1070℃,M23C6型铬的碳化物急剧溶解,加热到1110℃时基本溶完,因此最佳的奥氏体化温度应选择在1020-1080℃范围内为宜,从1080℃加热开始,奥氏体晶粒将明显长大。对于要求热硬性为主的模具,应选在1050-1080℃加热,油冷淬火后硬度可达53-55HRC,晶粒度9级,组织为细针马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。马氏体长为1.5-2级,未溶碳化物程点状,数量不多。对于要求韧性较好的模具,可选择1020-1050℃,油淬火后硬度为50-54HRC,晶粒度9-10级,组织为细针马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。马氏体长为1级左右,碳化物较多,但仍为点状。
四.模具热处理
一.H13钢的锻造 由于H13钢碳化物易带状偏析,亚稳定共晶碳化物,因此要进行充分锻造,以减少模具淬火开裂和应力集中。锻造加热温度1110-1160℃,始锻温度1060-1150℃,終锻温度850℃。模坯要进行六面锻造,锻造比大于5.
锻后退火 锻造后应立即进行球化退火。球化退火温度不宜过高,过高时较多的碳化物溶入了奥氏体,使奥氏体中合金元素Cr、Mo、V及碳的含量大大提高,奥氏体稳定性增加,很难达到球化退火的目的。
理想的球化退火工艺:880℃加热,保温8h,降至750℃,在等温20h炉冷到500℃左右出炉。退火后组织为点状和小球状珠光体。退火后的硬度HB196-218范围内。
退火后的组织照片 球化组织
腐蚀剂:苦味酸水溶液 放大倍数500×
根据模具的硬度和韧性要求,我们选定淬火温度为1040℃。由于H13钢合金元素多,保证传热均匀,减少应力,应采取2次预热,缓慢升温(≤60℃/h)在650℃保温4小时,再缓慢升温(≤60℃/h)在850℃保温4小时,升至淬火温度1040℃保温6h.
淬火 对于这种特大型模具,为了使硬度均匀,避免心部出现贝氏体和过多的残余奥氏体,采用油冷的方法比较合适。
根据硬度要求,选择580℃回火,回火保温时间36小时,为减少残余奥氏体量,再进行一次补充回火,回火温度560℃,保温时间28小时。
模具在1040℃温度下淬火,580℃二次回火后金相组织。图
腐蚀剂:4%硝酸酒精溶液 放大倍数500×
经检验热处理后的硬度43-45HRC。
热处理后机械性能Rp=1354MPa Rm=1555Mpa A=11.5%Z=47%
结论 H13钢经过充分锻造和球化处理,缓慢预热,在1030-1050℃加热保温,油淬,经580℃回火两次,其奥氏体晶粒没有明细长大,综合性能较佳,硬度满足HRC40-45的要求,组织均匀,模具寿命大大提高。
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