H13模具钢经过热处理后可获得高强度、红硬度、高冲击韧性值等优异性能。H从13钢的化学成分开始,解释了高温球化退火、淬火和二次回火的选择,提供了工艺数据,并在生产实践中提供了五种经验。
引言
H13钢是世界上广泛使用的热作模具钢,压铸模具、热锻模具和挤压模具的制造具有良好的冲击韧性、耐磨性、延展性和热硬性。本文介绍了H13钢改锻后的热处理工艺。
H13 钢铁是美国的国家标准ANSI钢号,相当于中国GB/T1299中的4Cr5MoSiV1。H13钢中有Cr、Mo、Si、V 等合金元素[1],见表1,除了Si元素不形成碳化物,Cr、Mo、V这三种元素与碳结合形成特殊的碳化物,这将提高钢的耐回火性。
表1 H13模具钢的化学成分
Cr的影响:Cr当铬的碳化物固溶于奥氏体时,可与碳结合形成特殊的碳化物,过冷奥氏体的稳定性可以提高。当它溶于马氏体时,有助于提高其回火能力,促进二次硬化效应Cr主要目的是提高H13钢的淬透性、高温强度和抗高温氧化能力[2]。
Mo的影响:Mo也是碳化物形成元素H13钢中可提高钢的回火稳定性和耐磨性。
Si影响:提高钢的强度、硬度和耐回火性,同时削弱热处理炉内的氧化气氛。
V影响:降低钢的过热敏感性,提高钢的回火稳定性和二次硬化效果,分散碳化钒质点可大大提高钢的耐磨性。
热处理温度和冷却方法取决于钢的临界转变点和等温转变图。H13 钢临界点:Ac1,850~885 ℃,Ac3:910 ℃。2)冷却转化临界点:Ar1,700℃;Ar3,820 ℃;Ms,335 ℃。3)奥氏体化温度:1 010 ℃
为了对H13钢锻件需要退火,以消除应力,改善组织,细化晶粒,降低硬度,便于加工。H13 合金元素较多,加热时变化较慢,因此不能采用常规退火,而应采用高温球化退火,使合金碳化物形成均匀的粒状体,获得细粒珠光体组织。高温球化退火温度应略高于钢的加热临界点Ac1,在该温度下进行保温,有利于保留未溶碳化物质点,到冷却过程中这些质点即可成为粒状组织的晶核,保证得到均匀细小的粒状组织。
相变点应在球化退火的冷却过程中进行Ar等温处理促进细粒状珠光体的形成,有助于碳化物聚集成细粒,从而降低硬度,便于加工。
H13钢淬透性好,不到150 mm厚零件的油淬可以达到均匀的硬度。但由于钢含有Mn、Si元素容易引起氧化和脱碳。在生产实践中,建议采用盐浴、可控大气热处理、真空热处理等,也可采用覆盖物或涂料进行防脱碳保护。
淬火温度选择1 030 ℃ 能获得硬度54~55 HRC,超过1 040 ℃晶粒开始生长。因此,建议热处理温度范围1 030~1 040 ℃。同时,出炉时应特别注意预冷Ac3 以上20~30 ℃(950~980 ℃)减少应力集中,避免开裂。
消除应力,提高应力H高温下锻件的韧性必须在高温下回火。H13钢中合金元素具有良好的耐回火性和二次硬化作用,使用二次回火可以提高模具的使用寿命。回火温度(580±20)℃获得硬度47~52 HRC。回火后的组织是回火马氏体和少量粒状碳化物。
H13钢具有良好的红硬、高温韧性和耐热疲劳性。为保证热处理质量,生产中应注意以下几点:
1)原材料检验:宏观缺陷检验,及时发现夹渣、中心缩孔、折叠、表面裂纹等缺陷。
锻件锻造后,应随炉冷却或缓冷,并及时退火。
3)因H13钢易氧化脱碳,因此锻模坯应适当增加加工余量,以免淬火后出现软点。
4)模具返工必须在低温退火后重新淬火,以免开裂。
5)热处理过程中应严格按照操作说明书进行操作。