H13表面热处理工艺压铸模具材料研究 H13表面热处理工艺压铸模具材料研究2023-02-28 版权声明 我想投稿
H13钢具有很强的韧性，冷热疲劳的抗力， 热作模具的使用寿命可以大大提高， 还可用于规定其他高韧性、高韧性的轴类和构件， 所以受到广大用户的欢迎。目前中国H13钢的工艺大多是球化退火， 淬火及其高温回火， 有需要时, 也需要进行去应力退火。这一热处理工艺可以使H13钢具有良好的综合物理性能， 能满足模具使用要求。可是, 这是为了降低成本， 提高效益, 国内大多数厂家也不进行模具表面处理， 磨具的使用寿命没有得到最大限度的提高。
如今, 在中国使用H13钢的常规热处理工艺， 早就很成熟了， 可是, 如果要继续提高H13钢的使用寿命， 可以从表面处理层面考虑， 可以通过氮化或软氮化来提高磨具表面的硬度和耐磨性。
1 H13压铸模具钢原料分析(1) H13钢的化学成分及零界点 (如表1, 表2)
众所周之, 钢出厂前， 将进行退火处理， 为了消除钢内要力， 提高钢材的切削加工性能。由GB/T 根据球状珠光体1299-2000的评级标准， 2~4级为达标机构， 第一级、第五级和第六级是不过关机构。图1显示了H13钢原料的金相组织。
从图1可以知道， 球状珠光体是原料的金相组织 一点点珠光体。HRC强度为3.1~3.3， 球化效果更好。由于钢淬火后， 大量堆放在一起制冷， 冷却速度非常缓慢， 以致球状珠光体汇聚成长， 取得较好的球化效果。按照GB/T1299-2000的球状珠光体标准进行定级， 图1中的机构可以评为3级， 达到金相组织标准。
2 H13压铸模钢工艺试验(1) H13钢表面氮化工艺图 (图2) 还有金相组织图 (图3) 。
(2) 渗氮处理H13钢。
本实验对H13钢表面渗氮进行处理， 渗氮分为三段， 第一阶段温度为540℃， 气温在560℃的第二阶段和第三阶段， 每一阶段每保温12h， 共保温36h， 同时, 氨分解率在第一阶段为20%~30%， 氨分解率在第二阶段为40%~50%， 氨分解率在第三阶段为85%~90%。工艺过程如图2所示， 如图3所示的金相组织。
通过硬度计测试得知， H13钢的表面硬度为950~1100/HV1，经渗氮处理， 深层为0.31~0.33mm， 根据GB/T11354-2005中渗氮层中氮化物检测要求， 检测显微镜下变大500倍， 得其机构最差的部分图3中的机构可以评为1级， 属于达标。
有文献曾经对H13钢渗氮40h (500℃、两阶段550℃渗氮) 对化合层进行了严肃的电镜管观察， 表面为小块和针状ε γ′两相区 (表面平行制样) 。合金渗碳体在原调质组织中呈球形或椭球形， 它在界面上沉淀了更多的氮化物， 一些渗碳页面模糊，已经被细小的氮化物“吞噬”。根据氮在渗碳体中的融解，可以描述其动力学过程， 氮原子逐渐更换碳原子，产生合金氮化物，另外还有集中规格在1~20nm之间的CrN。、Mo2N和VN分布于ε相和γ′相基体上。
3 3.11钢表面软氮化解决方案 金相组织图H13钢表面软氮化 (图4) 和工艺图 (图5)3.2 H13钢软氮化解决本试验对H13钢表面进行软氮化解决， 保温5h，600℃， 氨的流量为0.2 m3/h, 汽油为2 5滴/m i n。如图4所示，金相组织。
通过硬度计测试得知， H13钢的表面硬度为680~720HV0.1，经软氮化处理， 深层为0.05~0.06mm， ε相貌为0.005mm， 根据GB/T11354-2005中渗层松散检测要求， 检测显微镜下变大500倍， 得其松散最严重的位置， 图4中的机构可以评为1级， 属于达标。根据GB11354-89《钢铁零件渗氮层深度测量与金相组织检验标准》的要求， 图4中的机构可以评为1级， 属于达标。
化合物层经氮碳共渗后， 分为明显的双层：表面白亮层为ε相, 合金氮化物和合金渗碳体比较弥漫， 其耐蚀性能高， 故呈白色, 它没有微孔， 并且沿着晶界楔入基材。内层为扩散层， 最后看到有脉状机构。
3.3 一般情况下，氮碳共渗和渗氮结果较为普遍， 当化合物层延性不大时， 渗氮能使工件表面的耐磨性翻倍以上。随着渗层含碳量的增加，氮碳共渗工件的耐磨性提高， 但是渗层延性也随之增加。
各种渗氮和氮碳共渗工艺都可以提高工件的弯曲疲劳特性， 增长率超过40%。与氮碳共渗相比，渗氮能提高工件疲劳性能， 但是氮碳共渗工件具有良好的抗咬合性能， 与渗氮工件相比，缺口敏感性小。随著氮碳共渗层碳含量的增加， 疲劳极限的增加逐渐减少， 疲惫源 (鱼眼) 通常位于扩散层与基材的交汇处。
为保证压铸模表面抗液体金属的热腐蚀性能， 多采用氮碳共渗表面强化工艺， 但是要尽量控制氮碳共渗层的深度， 只有在金属冲洗最激烈的地方才允许有较深的渗层， 其它位置可以进行氮碳共渗分析， 或者在分析氮碳共渗的前提下进行500~550℃的氧化处理， 另一层氧化膜形成于氮碳共渗层外， 实践强调, 这种处理过的压铸模具的使用寿命可以提高4~5倍。
由于氮碳共渗使表层增加了一层白亮层， 因此具有很高的耐蚀性和耐磨性， 高渗氮处理， 但白亮层较薄， 因此，在使用中， 会受到冲击而脱落。
由于氮碳共渗使表层增加了一层白亮层， 因此具有很高的耐蚀性和耐磨性， 高渗氮处理， 但白亮层较薄， 因此，在使用中， 会受到冲击而脱落。解决气体氮化问题不应发生白亮层， 否则由于延展性大，磨具表面硬度降低。
总的来说, 无论是渗氮还是软氮化， H13钢的耐蚀性都可以大大提高， 耐磨性, 耐热性疲劳极限， 抗咬合性, 提高H13钢的使用寿命。
4 结论H13钢经热处理后， 具有良好的综合物理性能， 能满足磨具的基本要求。提高热作模具钢H13 (4Cr5MoSiV1) 使用期为应用背景， 通过与未经氮化处理的H13钢性能相比，选择气氛渗氮和软氮化方法在热作模具钢H13表面形成氮化层，提高了H13钢的耐腐蚀性、耐磨性和抗咬合性。 H13钢的使用寿命大大提高， 使H13钢更能满足公众的要求。
介绍：热处理就是提高金属材料的物理性能，去除剩余应力，提高金属的切削性能， 起到提高磨具使用寿命的主导作用。本文以H13 (4Cr5MoSiV1) 以压铸模具钢为例， 对H13进行表面热处理， 对其物理性能和金相组织进行分析， 然后对该过程的可行性进行分析， 提高模具寿命，提高热处理工艺效果。
关键字：热处理，模具钢H13，使用寿命。
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