H13模具钢的热处理实践

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)苏州大学阳澄湖校区 作者:朱朝晖

  H13模具钢经过热处理可以获得优良的性能,诸如高强度、红硬性及高的冲击韧性值。从解析H13钢的化学成分入手,对选用高温球化退火、淬火及二次回火做了说明,提供了工艺数据,并在结论中给出了生产实践中获得的五条经验。

引言

  H13钢是国际上广泛应用的一种热作模具钢,因为高温下具有良好的冲击韧性、耐磨性、延展性、热硬性而应用于压铸模、热锻模及挤压模的制造。本文介绍的是H13钢改锻后的热处理工艺。

1、钢的化学成分

  H13 钢是美国国家标准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三种元素均会与碳结合形成特殊碳化物,这些特殊碳化物将会提高钢的耐回火性。

表1 H13模具钢的化学成分

H13模具钢的化学成分

  Cr的影响:Cr能与碳结合形成特殊碳化物,当铬的碳化物固溶于奥氏体中,可以提高过冷奥氏体的稳定性。当它固溶于马氏体中有助于提高其回火能力,促进二次硬化效应,较多的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,在H13钢中可提高钢的回火稳定性和耐磨性。

  Si的影响:提高钢的强度、硬度及耐回火性,同时弱化热处理炉内氧化气氛。

  V的影响:降低钢的过热敏感性,提高钢的回火稳定性及二次硬化效应,弥散分布的碳化钒质点能大大提高钢的耐磨性。

2、热处理工艺选择

2.1、临界点

  热处理温度、冷却方式决定于钢的临界转变点与等温转变图。1)H13 钢临界点:Ac1,850~885 ℃,Ac3:910 ℃。2)冷却转变临界点:Ar1,700℃;Ar3,820 ℃;Ms,335 ℃。3)奥氏体化温度:1 010 ℃

2.2、退火

  为了对H13钢锻件消除应力、改善组织、细化晶粒、降低硬度、便于机加工,需要进行退火处理。H13 合金元素较多,加热时转变较慢,故不能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,得到细粒状珠光体组织。高温球化退火温度应稍高于钢的加热临界点温度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。

  球化退火的冷却过程中应该在相变点Ar区域等温处理,促使细粒状珠光体形成并有助于碳化物聚集为细小颗粒,从而降低硬度,便于机加工。

2.3、淬火

  H13钢具有良好的淬透性,对小于150 mm厚的零件油淬能够实现均匀的硬度。但因钢中含有Mn、Si元素容易引起氧化与脱碳。在生产实践中,建议采用盐浴、可控气氛热处理、真空热处理等,也可以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 ℃晶粒开始长大。故推荐热处理温度范围1 030~1 040 ℃。同时应特别注意出炉时应预冷至Ac3 以上20~30 ℃(950~980 ℃)以减小应力集中,从而避免开裂。

2.4、回火

  为了消除应力并提高H13锻件高温下的韧性必须进行高温回火。利用H13钢中合金元素良好的耐回火性和二次硬化作用,采用二次回火可提高模具寿命。回火温度(580±20)℃获得硬度47~52 HRC。回火后的组织为回火马氏体和少量粒状碳化物。

3、结论

  H13钢在热处理后具有良好的红硬性、高温韧性及抗热疲劳性。为了确保热处理的质量,生产中应注意如下几点:

  1)原材料的检验:需做宏观缺陷检查,及时发现诸如夹渣、中心缩孔、折叠、表面裂纹等缺陷。

  2)锻件锻后应随炉冷却或缓冷,并及时进行退火处理。

  3)因H13钢易氧化脱碳,故锻模坯应适当增加加工余量以免淬火后发生软点。

  4)模具返工必须进行低温退火后方能重新淬火以免造成开裂。

  5)热处理过程中应严格按照作业指导书执行操作。

参考文献

  [1] 赵昌盛.模具材料及热处理手册[M].北京:机械工业出版社,2008: 337.

  [2] 美国金属学会. 金属手册[M]. 第9版.北京: 机械工业出版社,1991:127-128.

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