H13表面熱處理工藝壓鑄模具材料研究 H13表面熱處理工藝壓鑄模具材料研究2023-02-28 版權聲明 我想投稿
H13鋼具有很強的韌性，冷熱疲勞的抗力， 熱作模具的使用壽命可以大大提高， 還可用于規定其他高韌性、高韌性的軸類和構件， 所以受到廣大用戶的歡迎。目前中國H13鋼的工藝大多是球化退火， 淬火及其高溫回火， 有需要時, 也需要進行去應力退火。這一熱處理工藝可以使H13鋼具有良好的綜合物理性能， 能滿足模具使用要求。可是, 這是為了降低成本， 提高效益, 國內大多數廠家也不進行模具表面處理， 磨具的使用壽命沒有得到最大限度的提高。
如今, 在中國使用H13鋼的常規熱處理工藝， 早就很成熟了， 可是, 如果要繼續提高H13鋼的使用壽命， 可以從表面處理層面考慮， 可以通過氮化或軟氮化來提高磨具表面的硬度和耐磨性。
1 H13壓鑄模具鋼原料分析(1) H13鋼的化學成分及零界點 (如表1, 表2)
眾所周之, 鋼出廠前， 將進行退火處理， 為了消除鋼內要力， 提高鋼材的切削加工性能。由GB/T 根據球狀珠光體1299-2000的評級標準， 2~4級為達標機構， 第一級、第五級和第六級是不過關機構。圖1顯示了H13鋼原料的金相組織。
從圖1可以知道， 球狀珠光體是原料的金相組織 一點點珠光體。HRC強度為3.1~3.3， 球化效果更好。由于鋼淬火后， 大量堆放在一起制冷， 冷卻速度非常緩慢， 以致球狀珠光體匯聚成長， 取得較好的球化效果。按照GB/T1299-2000的球狀珠光體標準進行定級， 圖1中的機構可以評為3級， 達到金相組織標準。
2 H13壓鑄模鋼工藝試驗(1) H13鋼表面氮化工藝圖 (圖2) 還有金相組織圖 (圖3) 。
(2) 滲氮處理H13鋼。
本實驗對H13鋼表面滲氮進行處理， 滲氮分為三段， 第一階段溫度為540℃， 氣溫在560℃的第二階段和第三階段， 每一階段每保溫12h， 共保溫36h， 同時, 氨分解率在第一階段為20%~30%， 氨分解率在第二階段為40%~50%， 氨分解率在第三階段為85%~90%。工藝過程如圖2所示， 如圖3所示的金相組織。
通過硬度計測試得知， H13鋼的表面硬度為950~1100/HV1，經滲氮處理， 深層為0.31~0.33mm， 根據GB/T11354-2005中滲氮層中氮化物檢測要求， 檢測顯微鏡下變大500倍， 得其機構最差的部分圖3中的機構可以評為1級， 屬于達標。
有文獻曾經對H13鋼滲氮40h (500℃、兩階段550℃滲氮) 對化合層進行了嚴肅的電鏡管觀察， 表面為小塊和針狀ε γ′兩相區 (表面平行制樣) 。合金滲碳體在原調質組織中呈球形或橢球形， 它在界面上沉淀了更多的氮化物， 一些滲碳頁面模糊，已經被細小的氮化物“吞噬”。根據氮在滲碳體中的融解，可以描述其動力學過程， 氮原子逐漸更換碳原子，產生合金氮化物，另外還有集中規格在1~20nm之間的CrN。、Mo2N和VN分布于ε相和γ′相基體上。
3 3.11鋼表面軟氮化解決方案 金相組織圖H13鋼表面軟氮化 (圖4) 和工藝圖 (圖5)3.2 H13鋼軟氮化解決本試驗對H13鋼表面進行軟氮化解決， 保溫5h，600℃， 氨的流量為0.2 m3/h, 汽油為2 5滴/m i n。如圖4所示，金相組織。
通過硬度計測試得知， H13鋼的表面硬度為680~720HV0.1，經軟氮化處理， 深層為0.05~0.06mm， ε相貌為0.005mm， 根據GB/T11354-2005中滲層松散檢測要求， 檢測顯微鏡下變大500倍， 得其松散最嚴重的位置， 圖4中的機構可以評為1級， 屬于達標。根據GB11354-89《鋼鐵零件滲氮層深度測量與金相組織檢驗標準》的要求， 圖4中的機構可以評為1級， 屬于達標。
化合物層經氮碳共滲后， 分為明顯的雙層：表面白亮層為ε相, 合金氮化物和合金滲碳體比較彌漫， 其耐蝕性能高， 故呈白色, 它沒有微孔， 并且沿著晶界楔入基材。內層為擴散層， 最后看到有脈狀機構。
3.3 一般情況下，氮碳共滲和滲氮結果較為普遍， 當化合物層延性不大時， 滲氮能使工件表面的耐磨性翻倍以上。隨著滲層含碳量的增加，氮碳共滲工件的耐磨性提高， 但是滲層延性也隨之增加。
各種滲氮和氮碳共滲工藝都可以提高工件的彎曲疲勞特性， 增長率超過40%。與氮碳共滲相比，滲氮能提高工件疲勞性能， 但是氮碳共滲工件具有良好的抗咬合性能， 與滲氮工件相比，缺口敏感性小。隨著氮碳共滲層碳含量的增加， 疲勞極限的增加逐漸減少， 疲憊源 (魚眼) 通常位于擴散層與基材的交匯處。
為保證壓鑄模表面抗液體金屬的熱腐蝕性能， 多采用氮碳共滲表面強化工藝， 但是要盡量控制氮碳共滲層的深度， 只有在金屬沖洗最激烈的地方才允許有較深的滲層， 其它位置可以進行氮碳共滲分析， 或者在分析氮碳共滲的前提下進行500~550℃的氧化處理， 另一層氧化膜形成于氮碳共滲層外， 實踐強調, 這種處理過的壓鑄模具的使用壽命可以提高4~5倍。
由于氮碳共滲使表層增加了一層白亮層， 因此具有很高的耐蝕性和耐磨性， 高滲氮處理， 但白亮層較薄， 因此，在使用中， 會受到沖擊而脫落。
由于氮碳共滲使表層增加了一層白亮層， 因此具有很高的耐蝕性和耐磨性， 高滲氮處理， 但白亮層較薄， 因此，在使用中， 會受到沖擊而脫落。解決氣體氮化問題不應發生白亮層， 否則由于延展性大，磨具表面硬度降低。
總的來說, 無論是滲氮還是軟氮化， H13鋼的耐蝕性都可以大大提高， 耐磨性, 耐熱性疲勞極限， 抗咬合性, 提高H13鋼的使用壽命。
4 結論H13鋼經熱處理后， 具有良好的綜合物理性能， 能滿足磨具的基本要求。提高熱作模具鋼H13 (4Cr5MoSiV1) 使用期為應用背景， 通過與未經氮化處理的H13鋼性能相比，選擇氣氛滲氮和軟氮化方法在熱作模具鋼H13表面形成氮化層，提高了H13鋼的耐腐蝕性、耐磨性和抗咬合性。 H13鋼的使用壽命大大提高， 使H13鋼更能滿足公眾的要求。
介紹：熱處理就是提高金屬材料的物理性能，去除剩余應力，提高金屬的切削性能， 起到提高磨具使用壽命的主導作用。本文以H13 (4Cr5MoSiV1) 以壓鑄模具鋼為例， 對H13進行表面熱處理， 對其物理性能和金相組織進行分析， 然后對該過程的可行性進行分析， 提高模具壽命，提高熱處理工藝效果。
關鍵字：熱處理，模具鋼H13，使用壽命。
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