H13热作模具钢热处理组织演变及其性能研究

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H13钢(4Cr5Mo Si V1)是我国目前应用最为广泛的一种热作模具钢,通常可用作热锻模具、压铸模具以及挤压模具等典型的热成型领域。苛刻的服役环境对模具及材料的安全性和可靠性提出了更高的要求,而模具钢材料的性能与其热处理过程密切相关,热处理工艺的不同会改变材料的微观组织特征和力学性能,进而直接影响模具产品最终的使用性能及服役寿命。因此,系统了解热处理过程对H13热作模具钢组织及性能的影响,揭示热处理工艺对其组织特征和强韧性匹配的影响规律及其机理,对指导实际的模具热处理具有极为重要的理论及实践价值。本文主要以国内某知名钢厂生产的H13钢为研究对象,重点研究了H13钢相变特征以及不同热处理工艺参数对其微观组织和力学性能的影响规律,在此基础上,通过改变热处理过程中淬火及回火工艺流程来对H13钢进行组织及性能调控,进行新型热处理工艺的开发探索,为H13热作模具钢使用性能及寿命提升奠定基础。论文的主要研究成果如下:(1)利用热膨胀相变仪对H13钢进行连续冷却相变实验,测定试验钢相变点并绘制CCT曲线,结果表明:H13钢Ac1=795℃,Ac3=875℃,Ms=285℃,Mf=75℃。而冷却速度的改变会对材料的相变特征产生显著影响,随着冷却速度增大,H13钢会依次发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。其中,珠光体临界转变冷却速度为0.05℃/s,贝氏体转变临界冷速为0.5℃/s,冷速大于1℃/s时,材料只发生马氏体转变。分析结果表明,材料中不同相的比例变化会显著影响材料的硬度和强度,通常材料的硬度会随着微观组织中马氏体比例增加而迅速增大。同时,在一定范围内,冷却速度的不同,也会对贝氏体及马氏体组织特征产生一定的影响。(2)常规模具钢QT工艺(淬火+回火)热处理过程中,在一定范围内,材料的硬度会随着淬火温度升高而逐渐提升。而随着回火温度的升高,材料的硬度则呈先升高后降低的趋势,其中在550℃回火时材料硬度达到最高。微观表征结果表明,在550℃时,H13钢中碳化物的大量弥散析出是引起材料二次硬化的主要原因。而当回火温度继续升高时,碳化物会聚集长大,马氏体组织特征的变化会导致材料硬度大幅下降,同时冲击韧性显著提高。(3)奥氏体化后直接等温淬火+回火热处理可制备出少量贝氏体+马氏体的复相组织。等温过程产生的细晶可少量提升材料硬度和韧性,而随着保温时间延长,大量贝氏体的出现,则会显著影响材料的力学性能;270℃等温制备的贝氏体组织更加细小稳定,组织细化效果更好;贝氏体铁素体在590℃仍能保持板条束形貌,阻碍马氏体回复和再结晶的发生,使得材料的综合力学性能得到提高。与QT工艺相比,使得材料在同等硬度条件下的冲击性能更佳。(4)采用预成型+等温淬火热处理后,马氏体为贝氏体的形成提供大量形核点,缩短贝氏体转变的孕育时间,贝氏体组织更为细化,同时,残余奥氏体细化且数量增加,使得材料在硬度略微下降的情况下韧性显著提升。而在低温回火过程中,残余奥氏体会转变为马氏体,同时碳化物弥散析出,材料硬度逐渐上升;当回火温度高于575℃,残余奥氏体转变为铁素体和碳化物,材料硬度迅速下降,韧性上升,更多的贝氏体铁素体相界增加界面能,碳化物易在贝氏体相界析出,钉扎作用抑制贝氏体合并长大和重结晶。材料605℃回火后,硬度仍保持47.2HRC,同时冲击功提升至19J,回火稳定性和韧性明显提高。在本文的试验中,所采用的H13热作模具钢钢最佳QT工艺为1030℃淬火,575℃回火,贝氏体/马氏体复相组织热处理后均能在不同程度提升H13综合力学性能,其中,通过180℃预处理的组织,经605℃回火处理后,综合力学性能最佳,同等硬度和强度条件下,冲击功较QT工艺提升50%。
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