H13E热作模具钢热处理及深冷处理特性研究

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chuhai
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传统模具材料H13钢存在硬度不足、使用寿命短等问题,某企业开发了H13E钢,H13E钢是在原有H13钢基础上对其中的合金元素成分进行了适当调控而达到一定的改性,期望在H13钢基础上提高其强韧性以及耐磨性能。本文通过研究热处理工艺以及深冷处理对H13E钢组织及性能的影响规律,优化H13E钢的热处理工艺参数以及深冷工艺参数,为热作模具钢材料的改性及具体应用提供技术参考,对热作模具钢的推广应用具有较大的现实意义。本实验通过研究不同工艺参数下的H13E钢试样,分析显微组织及性能变化规律;观察试样表面磨损形貌,探讨H13E钢的摩擦磨损行为及磨损机制。结果表明:(1)H13E钢在1020~1080℃保温20 min油冷时,此温度区间奥氏体晶粒尺寸单调增加,温度从1020℃升高至1080℃时,奥氏体晶粒增长了约40μm,且温度在1060℃以上时碳化物可充分溶解。此温度区间组织主要为板条马氏体、针状马氏体以及部分残余奥氏体。硬度随温度的升高先增后减,在1060℃达到最大值,为61.6 HRC。1060℃保温20~50 min油冷时,奥氏体晶粒增长速率较缓慢,从20 min到50 min,晶粒尺寸增长7μm左右,同时硬度仅下降0.2 HRC左右,为防止长时间保温导致晶粒长大,选取保温20 min。对比油冷与空冷组织与性能,空冷组织中除马氏体外,还有部分索氏体,硬度仅为58.5 HRC。最终选取的淬火工艺为:1060℃保温20 min油淬。(2)H13E钢在1060℃保温20 min油冷的淬火工艺下进行520~550℃保温4 h两次回火。随着回火温度的升高,回火马氏体逐渐向回火索氏体转变,硬度逐渐降低,而冲击韧性逐渐增大。520℃时,组织主要由回火马氏体及部分残余奥氏体组成,硬度57.6 HRC,但冲击韧性仅11.54 J/cm~2;530~540℃时,部分回火马氏体转变成回火索氏体,此时硬度在57 HRC以上,冲击韧性在16 J/cm~2以上;550℃时,回火马氏体基本转变成回火索氏体,硬度仅有54.5 HRC。530℃下保温1~6 h时两次回火时,随回火时间延长,回火马氏体逐渐转变成回火索氏体,硬度先缓慢下降再快速下降,冲击韧性单调增加。保温时间1~2 h时,组织主要为回火马氏体及部分残余奥氏体,硬度57 HRC以上,冲击韧性在13.3 J/cm~2以下;保温4 h时,组织主要为回火马氏体、回火索氏体以及部分残余奥氏体,硬度为57.4 HRC,冲击韧性为16.32 J/cm~2;保温6 h时,回火马氏体大量分解成回火索氏体,硬度仅55.8 HRC,但冲击韧性为18.2 J/cm~2。随着回火温度的升高和保温时间的延长,H13E钢的磨损机制由黏着磨损变为氧化磨损,并伴随着轻微氧化剥落磨损。对比一次回火与二次回火后组织与性能,一次回火后组织主要由马氏体、回火马氏体以及部分残余奥氏体组成;二次回火后组织主要由回火马氏体、回火索氏体以及部分残余奥氏体组成。一次回火硬度为58 HRC,冲击韧性仅15 J/cm~2。最后选取的回火工艺为:530℃保温4 h两次回火,相较于常用H13钢性能,H13E钢硬度可提高5~9 HRC,且冲击韧性与H13钢相当。(3)H13E钢淬火后经-196℃液氮深冷处理10 h再回火两次发现,组织主要为回火马氏体及回火索氏体。与1060℃保温20 min油冷后在530℃下保温4 h回火两次相比,硬度仅提高0.4~0.8 HRC,冲击韧性可提高31.6%,为21.47 J/cm~2,摩擦系数减小了18.8%,为0.48左右,且摩擦曲线更加平缓,同时深冷处理后该钢的磨损机制由氧化磨损主导。(4)H13E钢合适的热处理工艺为:1060℃下保温20 min,油冷;530~540℃保温4h的两次回火,油冷。为提高H13E钢的综合力学性能,可在淬火与回火之间再添加一道深冷处理工序。
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