模具鋼材H13的微合金化應(yīng)用
目前，國內(nèi)外改進(jìn)型H13鋼的合金化思路包括：①提高Mn含量；②降低Si含量提高Mo含量，如ASSAB公司的Dievar；③ 高碳高硅、低Cr、高Mo，如Uddeholm公司的HOTVAR專利鋼；④加入微合金元素Nb、Ti等。其中低Si高Mo的合金化途徑與加Nb合金化的方法是當(dāng)前H13鋼成分設(shè)計(jì)上的兩種趨勢。
㈠低Si高Mo合金化
⒈對于Si含量降低的作用有：(1)“∨”形或“∧”形偏析減輕；(2)宏觀組織均勻化；(3)微觀凝固組織的樹枝晶細(xì)化；(4)減少凝固時(shí)凝固界面上的成分過冷；(5)共晶碳化物的減少；(6)奧氏體晶粒細(xì)化；(7)塑性和韌度提高；(8)高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速度減??；(9)蠕變裂紋擴(kuò)展速度降低；(10)淬火冷卻抑制貝氏體轉(zhuǎn)變；(1】)抗熱裂性提高。但Si含量降低帶來的不足是切削性能降低。
⒉對于高Mo的優(yōu)點(diǎn)有：(1)提高淬透性，抑制晶界碳化物的析出和貝氏體轉(zhuǎn)變；(2)提高回火抗力；(3)提高高溫強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度；(4)提高抗熱裂能力；(5)提高韌度；(6)共晶碳化物細(xì)化和碳化物分布均勻。關(guān)于抑制貝氏體轉(zhuǎn)變有資料報(bào)道：對610mm×203mmX 500mm的H13模塊經(jīng)3bar氮?dú)鈿獯愫笮牟亢捅砻娴呢愂象w量分別達(dá)70%和40%，而對低Si高Mo的SKD61鋼相應(yīng)僅有2％和1%，這對模具使用壽命的提高十分有利。
⒊閔永安，吳曉春等學(xué)者在熱作模具鋼H13的基礎(chǔ)上降低Si、V含量，提高Mo含量，研制了新鋼種SDH8。通過對比試驗(yàn)對SDH8和H13進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)同樣的熔煉及常規(guī)熱處理，室溫時(shí)SDH8鋼的硬度和沖擊韌性都高于H13鋼，而在中低溫淬火后差值更大，且此時(shí)SDH8鋼的熱穩(wěn)定性也明顯高于H13鋼，在相同熱處理?xiàng)l件下SDH8鋼的硬度明顯
比H13鋼高，并顯示出比H13鋼優(yōu)越的熱穩(wěn)定性。
㈡添加Nb合金化
在H13鋼中加入Nb的作用：鈮的碳化物(和碳氮化合物)具有很高的高溫穩(wěn)定性，Nb相對于V更易形成穩(wěn)定、細(xì)小的MC型碳化物，要達(dá)到相同的強(qiáng)化效果，用Nb量僅需V的1／2 。此外，由于Nb形成的MC型碳化物更為穩(wěn)定細(xì)小，因而有助于提高奧氏體化溫度，并阻止奧氏體晶粒長大。較高的奧氏體化溫度可將部分粗大的碳化物充分溶解，使馬氏體中碳和合金元素含量增加，提高淬火硬度；同時(shí)，淬火溫度的提高有助于回火時(shí)彌散碳化物的析出，增加二次硬化效果，進(jìn)一步提高強(qiáng)韌性、回火穩(wěn)定性和熱疲勞抗力。李麟、吳曉春等學(xué)者在H13鋼合金成分設(shè)計(jì)中添加了0.01的鈮，研究表明，其力學(xué)性能沒有明顯改善，但其熱穩(wěn)定性、回火穩(wěn)定性及抗高溫氧化性能有一定提高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在H13鋼中添加微量的鈮可阻礙熱疲勞裂紋的擴(kuò)展，提高熱疲勞抗力，顯著改善H13鋼的熱疲勞性能。
模具鋼材H13的表面處理工藝
㈠表面低溫化學(xué)熱處理
常用工藝有軟氮化、三元共滲及多元共滲等。
⒈N—C共滲(軟氮化)
模具鋼材H13中有較多的Cr、Mo等元素，軟氮化時(shí)能在表層生成穩(wěn)定的C、N化合物并彌散分布，有利于提高H13鋼熱作模具的耐蝕性、抗粘結(jié)性及抗熱疲勞性能，此外，這種化合物韌性好且耐磨，可減少模具表面的磨損。離子氮化時(shí)滲氮化合物中e相韌性低，膨脹系數(shù)大，對熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響，軟氮化則能避免此缺點(diǎn)。
⒉N—C共滲
N-C共滲由于時(shí)間短，效果好，工藝較成熟而應(yīng)用廣泛。實(shí)踐證明，H13鋼鹽浴法S、N、C共滲較適宜的溫度為
⒊多元共滲
比較典型的多元共滲工藝為C、N、O、S、B五元共滲。H13鋼經(jīng)五元共滲后，在工件表面形成硼化物、碳化物和氮化物，起彌散強(qiáng)化作用，使工件表層的硬度明顯提高，擴(kuò)散層則滲入了氮和碳，硬度有所提高。對比試驗(yàn)表明，五元共滲的硬化效果比氣體滲氮和S、C、N三元共滲都好，雖然熱疲勞裂紋起源較早，但不向縱深擴(kuò)展，因而改善了熱疲勞抗力。廣東某公司為多家鋁型材廠生產(chǎn)處理熱擠壓模具，擠壓模多采用H13鋼制造，早先使用普通滲氮工藝，效果不盡人意，后改用C、N、O、S、B多元共滲，模具的耐磨性、熱疲勞抗力等性能均得到大幅度提高，使用壽命提高5～6倍，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 。
㈡高能束表面處理
高能束處理特點(diǎn)：加熱速度快，加熱面積可根據(jù)需要選擇，工件變形小，不需要冷卻介質(zhì)，處理環(huán)境清潔。
⒈激光表面處理
H13鋼常規(guī)熱處理后硬度為44HRC，經(jīng)激光淬火，由于得到以超細(xì)化高密度位錯(cuò)型馬氏體為主的組織，以及激光加熱后自回火過程中析出彌散碳化物，使得淬硬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高，表面硬度高達(dá)62HRC。激光熔覆技術(shù)通過在模具表面覆蓋一層熔覆材料，以改善表面性能 。在H13鋼表面熔覆一層Co基合金(> 40%Co+多量Cr、Ni等元素)，可得到比H13鋼好得多的高溫硬度、熱疲勞抗力及抗循環(huán)軟化能力。
⒉高能束表面合金化
對于H13鋼模具，尤其鋁合金壓鑄模，可以先在電弧離子鍍設(shè)備上沉積一層鋁膜，然后采用電子束輻照處理技術(shù)，在真空條件下對模具表面進(jìn)行15次轟擊處理，使在模具表面產(chǎn)生約10μm左右的致密氧化膜。這樣可有效地改善模具表面的抗氧化能力、熱疲勞抗力、耐磨性等性能。
㈢復(fù)合處理
Rodriguez—BaracaldoR等人一 對H13鋼進(jìn)行了兩種表面改性處理，一種是在基體上直接PVD沉積TiMN涂層，另一種則先在基體上進(jìn)行氣體氮化處理，然后進(jìn)行PVD沉積TiAIN涂層，形成復(fù)合層。研究表明：復(fù)合層的耐磨性能最好，單一氮化物涂層的耐磨性能較單一TiA1N涂層好，前者比后者約高5倍左右。
Sang Yul Lee對模具鋼材H13先進(jìn)行等離子氮化處理，然后進(jìn)行非平衡磁控濺射，制備了3種復(fù)合涂層：TiN、CrN、TiN／CrN。研究表明：TiN ／CrN復(fù)合涂層的硬度最高，為36GPa；TiN為26GPa；CrN為22GPa。同時(shí)，TiN／CrN復(fù)合涂層的粘附性能、
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