第一章绪论
1.1引言
随着中国2001年加入WTO以及机械制造业的发展，中国的模具工业得到了迅速发展，从而也推动了模具钢的发展。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，模具更成为工业生产的基础工艺装备。与此同时，在模具工业迅猛发展的高要求下，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。因此世界各国的模具钢生产企业及研发机构，不断开发模具钢新材料和采用新的生产技术，以适应模具工业的发展，从而也为国产模具钢提供了一个巨大的市场，带动了国内模具钢的产量、品种、规格及品质水准的提高。近几年，全世界模具钢市场总量在600-650亿美元之间，而我国模具行业的产值2001年为300亿元，并以每年14%-17%的速度增长。2003-2005年我国模具总产值分别达450亿元、530亿元和620亿元。从近几年的数据来看，虽然我国的模具工业已经得到了比较稳定的发展，但国产模具的自配率不足80%，其中，中低档模具供过于求，而高档模具近50%靠进口，尤其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大。因此，降低成本，提高模具钢的冶金质量，抢占国内外市场是模具钢开发的关键所在。
在整个模具工业中，热作模具占有重要的地位，以压铸模为例，压铸作为一种金属零件接近最后形状尺寸的精密成形工艺，在高速发展的汽车、机械、电子等重要产业中占有举足轻重的地位，需求量与日俱增。我国每年需要压铸模具数十万t，价值数十亿元。汽车轻量化就要大量采用铝合金、镁合金压铸件。每个国家都是汽车制造业驱动压铸行业，中国汽车业使用压铸件占65.5%的市场份额，在日本等发达国家高到80%以上。庞大的潜在市场以及附件和配套产品的需求量，为压铸件生产提供了广阔的空间。压铸模具常因热疲劳、冲蚀和整体断裂而失效，如何提高压铸模具的使用寿命，历来是人们所关心的问题。因此迫切需要发展具有良好的耐热性、耐热疲劳和抵抗铝液冲蚀的新型热作模具钢，我国在80年代初引进由美国开发的国外通用铬系热作模具钢H13(我国钢号为4Cr5MosiVI)，该钢以其高的淬透性、淬硬性、强韧性和热疲劳抗力在国内外得到广泛的应用，用于制作热挤压模、铝合金压铸模、热锻模和塑料模等，是当前世界范围内使用最广泛的热作模具钢。因此，H13钢的研究具有重要的意义。
1.2热作模具钢概述
热作模具钢主要用于制造对高温状态的金属或液态金属压制成工件的模具，该过程要将金属或液态金属加热到再结晶温度以下，因此与其它类型的模具钢如冷作模具钢、塑料模具钢的使用性能有较大差异。
1.2.1热作模具钢分类
1.按所含合金元素的多少可分为:
(1)低合金热作模具钢:主要为se汹汉。、SCrMnMo、SCrN汉oV等Cr-Ni一Mo、Cr-Mn-Mo系钢种。
(2)中合金热作模具钢:主要为4Cr5MosiVI、4Cr5WMosiV、4Cr5MosiV、4Cr5WZVSi等铬系钢种。
(3)高合金热作模具钢:主要为3CrZw8V、SCr4WZMoZsiV、5Cr4W5Mo2V(RM2)等W-M。系钢种。
2.按性能特点可分为:
(l)高韧性热作模具钢:为低合金热作模具钢。此类钢使用过程中要承受圈套的冲击载荷和工作应力，模具的型腔与工件表面要产生剧烈的摩擦，同时型腔表面温度迅速升高。工件脱模后，表面又受到压缩空气和润滑剂的迅速冷却，在服役过程中，此类钢型腔表面周期性地加热和冷却，容易使型腔表面生成热疲劳裂纹，因此，这类钢中必须具有一定的高温强度、高温硬度、较高的冲击韧性、耐磨性和抗热疲劳裂纹的性能。
(2)强韧兼备的热作模具钢:为中合金铬系热作模具钢。此类钢具有优秀的综合力学性能，当温度升高到600℃左右时，仍然在较高的强度下保持较高的韧性，具有良好的抗热疲劳性能，良好的热稳定性和淬透性。
(3)高热强钢:为高合金钨铝系热作模具钢，也有称高耐热性热作模具钢。此类钢由于钨、铝含量高，比前两类的热作模具钢在更高的温度下具有较高的强度、硬度和抗回火稳定性;但是韧性和抗热疲劳性能则不及铬系热作模具钢。
第二章高温扩散对H13钢元素偏析的影响
2.1引言
H13钢的含碳量一般在0.4%左右，由于合金元素的共同作用，特别是Cr元素的作用，使得共析点左移，所以H13钢属于过共析钢。与进口的优质H13钢相比，国产H13钢的整体质量存在明显差距。主要表现在S、P含量偏高，存在共晶碳化物，带状偏析和二次碳化物分布不均匀，二次碳化物链状沿晶界分布，表面与心部力学性能各向异性，表面与心部性能相差悬殊现象。同时，由于H13钢合金化元素较多，且所含合金元素的密度及熔点相差较大，使得合金铸锭成分容易产生偏析，特别是铸锭中有较严重的M。、Cr、V等元素的偏析形成枝晶偏析，造成组织的不均匀，如果在退火前不进行处理，将影响模具钢的最终性能。根据资料[29l介绍，不同合金铸锭经不同温度长时间高温扩散，能够减轻或消除枝晶偏析，显著减轻合金元素的偏析程度，改善合金的组织，消除或减轻共晶碳化物、改善带状偏析，从而提高钢锭的热加工性能，并最终提高锻件的质量。因此H13在球化退火前增加高温扩散工艺是非常有必要的。本章节将通过高温扩散试验来探讨H13钢元素偏析情况，从而为提高H13钢性能提供参考数据。
第三章 钢坯和钢锭的高温扩散................... 43-62
3.1 引言.................. 43
3.2 试验材料和试验方法.................. 43-46
3.3 试验结果及分析 ..................46-56
3.3.1 退火硬度 ..................46-47
3.3.2 退火组织 ..................47-49
3.3.3 退火态力学性能.................. 49-53
3.3.4 淬火、回火硬度 ..................53
3.3.5 淬火、回火态组织 ..................53-55
3.3.6 淬火、回火态力学性能.................. 55-56
3.4 提高H13钢高温扩散效果机理分析.................. 56-60
3.5 本章小结 ..................60-62
第四章 超细化处理温度对H13钢横向性能的影响.................. 62-90
4.1 引言 ..................62
4.2 试验材料和试验方法 ..................62-65
4.2.1 试验用H13热作模具钢化学成分.................. 62-63
4.2.2 试验热处理工艺 ..................63-64
4.2.3 测试内容及方法 ..................64-65
4.3 试验结果及分析.................. 65-84
4.4 讨论.................. 84-88
结论
H13钢从铸锭到退火态，热处理过程为铸锭~高温扩散一球化退火，其退火组织要求球化颗粒均匀分布，保证退火硬度不能过高，以利于切削加工及后续淬、回火热处理，本文研究了高温扩散工艺和超细化工艺试验，确定了H13钢获得良好的球化组织的工艺。试验结果表明:
(l)高温扩散处理可以大幅度减轻H13钢中由于铸态枝晶偏析带来的合金元素偏析，减轻共晶碳化物的存在，最终减轻纵向带状偏析程度，为得到良好的珠光体球化组织做了准备。
(2)H13钢铸锭在电渣重熔过程中难免会出现孔洞型缺陷，这些缺陷将影响H13钢的高温扩散效果。通过计算，直接用高温扩散消除孔洞不切合生产实际。对H13钢铸锭锻造，可以破碎H13钢的铸态枝晶组织，消除大部分孔洞，从而加快高温扩散的速度，提高高温扩散的效果。对H13钢坯进行高温扩散比直接在钢锭上高温扩散效果好，由此带来了力学性能上的较大提升。
(3)超细化工艺为H13钢等温球化退火做了组织准备。通过对比不同温度超细化工艺对H13钢组织和性能的影响，得出H13钢超细化温度过高会溶解大部分合金碳化物，同时使淬火后马氏体束过于粗大，不利于随后的等温球化退火。
因此H13钢等温退火前的组织中应保留部分未溶碳化物，成为随后球化退火的形核核心，从而增大球化颗粒的尺寸，降低退火硬度。试验结果表明H13钢在1000℃超细化，组织中呈现针状马氏体，同时弥散分布较多未溶碳化物。降低了退火硬度，也提高了H13钢最终淬、回火态冲击韧性。通过以上分析，得出H13钢的优化处理工艺:H13钢铸锭一锻造一1260℃高温扩散一锻造~1000℃超细化处理一等温球化退火。
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