优质H13钢压铸模的热处理设计.pdf

《优质H13钢压铸模的热处理设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《优质H13钢压铸模的热处理设计.pdf（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 ， 优质H1 3 钢压铸模的热处理设计 b 一 胜百模具技术 ( 上 海) 有限公 司( 上海 2 0 1 1 0 0 ) 冯英 育 编 译 弋 根 据对 欧洲 几 个主 要热 处理 企业 的调 查 研究 ， 着 过 比较J L 种 常 用热 处 理 工 艺对 H1 3钢模 具 实 物 的处 重 阐述 了优质 H1 3钢热处理 工 艺最优化 问题 。 0弓 严格 控制热处 理工 艺 。 在热处 理质量 控制方 面 对模具 制造 者而言 。 最直 观 的就是硬 度和 尺寸稳定 性 而对于 韧 性 、 显 微 组 织 和 热 疲 劳 强 度 则 不 能 立 即 鉴 别 。 只 有 在 模具 投入

2、使用 后才能 证 明其优 劣。 只有通过 使用 优质模具 钢和 采用最 成熟 的热处理 工艺相 结合 才能获得 压铸模 具 的最佳性 能 。优 质钢的 质 量 已由北 美压 铸协 会 ( N AD C A) 在 其对 优 质 H 1 3钢 的技术 要求 2 0 7 9 0中作 了明确 的 量化规 定 本研 究通 厚 小 型模块 截 面 AA V一缺 口韧性试样 大型模块 ( 无 型腔 ) 2 50 X4 O7 X4 50 ram 理 结果 以期建立最 佳热 处理 工艺 达到模 具最 佳使用 性 能 。 H1 3钢模 块有大 、 中 、 小 型三种 尺 寸。H 1 3钢 的化 学 成分 示于 表

3、 1 。中型和 小型模 块 带有 机加 工成 型的 简单 型腔 如图 1 所 示 。大型模 块无 任何 型腔。 表 1 实验用优 质 压铸模具 钢 H1 3的化学成 份 模其尺 寸 C S i Mn C r Mo V S 小 型 中 型 大 型 长 中型模块 截 面 AA 图 1 测 试模 块尺 寸( mm) I U=3 2 mi l l 直径 的热电偶 孔 国外金属 热处理 l 9 9 9年 第 4期 A 3l ， l l O O O 踮 O O O 5 5 5 ” O O O 鳃 l l O O O O 维普资讯 http:/ l 方 法步骤 所 有 试 验 模 块 均 按 NADC A

4、的 2 0 7 9 0技 术 要 求 检验 和验收 。 任 一尺寸 的所有模 块均取 自同一 钢棒 。 机 加 工 ， 去应 力处理 后测 鼓尺寸 。 大 、 中、 小 各四套模 块分 别 经位于德 国 、 意大利 、 瑞 典和英 国的热 处理 厂处 理 到 指 定 的硬度 4 6HR C 。处理 好 的模 具 均集 中到瑞 典 的 U D D E H O I A 4 钢 厂( 一胜百模 具技 术(I- 海 ) 有 限公 司 之 母 公 司 ) 的 实 验 室 进 行 冶 金 及 物 理 性 能 测 定 。 2热 处 理 开始 人们 建 议采 用普 通用 于盐 浴 淬 火和 真空 淬 火 的标

5、 准热处 理工艺 而没有 充分考 虑压 铸模具冷却 时 两种特 定并且 相互矛 盾的要 求 。 第一 ， 冷却 速度应 该足 够 快 ， 以避 免晶 间碳 化物 的析 出和 向贝 氏体的 过 量转 变 ； 第 二 热处 理后 的模具 应 当有最小 的变 形 。在 5 2 0 C左右的盐浴 中分 级淬火有 助于 降低模 具急 冷所造成 的 变形 ， 而 通常 气淬 时 的连 续冷 却会 增 大模具 表 面 与 心 部之问 的温差 ， 这样 除非 降低冷却 速度 ， 否则模具 的 变 形 会 加 剧 。 采 用 四 种 方 法 以 寻 求 避 免 晶 问 碳 化 物 的 过 “ ! 昕 出 、 避

6、 免 贝 氏体 转 变 同 时 尽 I f 减 少 变 形 的 最 佳 冷 却 方 式 。 1 ) 单级盐浴 淬火 ： 旨在加速 初期 冷却 阻止 高于硬 化 开始 温度 Ms ( 。 I 氏体开始 生成 温度 ) 的淬 冷 降低发 生上 贝氏体转 变的危 险及 下贝 氏体的生 成量 。 2 ) 双级 盐 洛淬 火 ： 旨在 利用 第一 段分 级 冷却 来 避 免 品 问 碳 化 物 的 过 越 析 出 并 使 得 在 急 速 冷 却 至 低 于 硬化 温度的 吼二级 冷却： 之前模具 表 面和模具 中心之 间 的温差 减小 。 第二 级冷 却将 加快 冷却速 度 使 变形 量降 至最低 并

7、减少 下 贝氏体的 生成 量 。 3 ) 贞 空分级淬 火 ： 模拟 已确 立的盐 浴淬 火工艺 但 温度 控制更 加严格 ， 控温精 度盐 浴炉难 以实 现 。 当内外 温度 均匀 后加速冷 却 以避免 向 贝氏体的 大 量转 变。 4 ) 流态 化床 淬 火 ： 选择 此 淬火 方 法是 为 广 评 定其 棚t f 于 气淬 和盐 浴 炉淬 火 的冷 却效 果 因为 流态 化介 质 的 热 传 导 速 度 及 均 匀 性 都 还 是 学 术 争 论 的 焦 点 。 表 2列 出 r经适 当预 热后实 际采用 的加热 温度和模块 表 丽和 中心 的 温度 ； 外将模 块 中心 淬 火 冷却

8、曲线 保 温 时 问 。在 奥 氏体 化 和 淬 火-冷 却 过 程 中 实 际 测 挝 丁叠 加 到 HI 3的 C CT 曲线 上 如 图 2所 示 。 维普资讯 http:/ 毯 赠 、一 、 一 、 0 、 、 _ 、 一 l - 倬 、 _ l c- M s t ， 氏 佛 X L l n ， I 、 v 模块 A m , S B I S B 2 1 0 1 0 2 1 0 时 间 S i 、 、 ( 一 一 - 体 、 、 ； M 。 _ ： 体 中 穗 F B 模块 H S B S I l I I f 一， l ，； 舒 勃 ； ( ， ， ， | l 1 i Ms 胃 氏 s

9、R l 大 型 一 模块 l 0 2 l 1 0 4 1 0 1 0 1 0 4 时 间 8 时 间 8 S BI=盐浴 炉 ， 单级 冷却 一 一 一 S B 2=盐浴 炉 ， 双级 冷却 一 VA C=真空炉 一 一F B=流 态化床 图 2叠 画于 H1 3钢连 续冷 却曲线 ( L I 、 ) J ： 的火 、 l I 和小型模 块的 心部 冷却 曲线 3结 果 为分 析 比较不 同热 处理 工 艺 的结 果 ， 测 定 了如 下 与热 处理 相关 的 数据 ： 尺 寸稳 定 性 、 硬度 分 布 、 显微 组 织 和 韧 性 。 3 1尺 寸稳定性 淬火和 回火必然 会引起 尺 寸变

10、化 。 通 常情况下 ， 热 1 O 0 8 O 6 0 4 零 o 2 0 一 O 2 一O 4 处理变形 的趋 势是模 具的外 轮廓 收缩 内型腔 膨胀 从 而造成模 具超 出公差 范 围。造成 这种 形变 的原 因是 机 加 工所产 生的 内应力 的释放 和淬 火时所 产生 的热应 力 和卡 H 变应 力 。因为被 测试 的模块 淬火前 已进 行过去 应 力处理 故 测得 的尺 寸变 化 只是 热应 力 和相 变应 力 作 用 的 结 果 。 单级盐浴 圈 真空炉 圈 双级盐浴 口 流态化床 小 型模块 中型模块 大 型模块 1 母 - _ 。 0 l： 目 。-4“1 一 -一 -目

11、l_ E I 口 长度 宽度 厚 度 长度 宽度 厚 度 长度 宽度 厚 度 图 3小型 、 中型和 大型模 块热处理 后尺 寸变化 通 过缩小 相变前 模块 表面和 中心的 温差来 减小热 处理所 造成 的尺寸变 化 。图 3表 示模具 或模块 尺寸在 热处理 前后 的实际测 定结果 。 单级盐浴 淬火工 艺相对 于其 他淬火工 艺 对 中、 小型模 具 来说产生 最大 的收缩 变形 ( O 1 ) 。所 有大 型模 块 中问 部位 的 厚度 都有 增 加 。这就 是 巨大的热 应力 和相变 应力 的综合 作用 的结 果 并使 模块 更趋于 球状 。 与其他热 处理工 艺 比较 ， 单 级

12、盐浴淬 火和 真空气 淬表 现出最 大 的热 应 力和 相变 应 力 。 国外 金属热处 理 1 9 9 9年 第 4期 3 3 维普资讯 http:/ 5 0 48 譬 4 6 Z 4 _4 42 4 0 3 8 J r I I 广 - 尉 一 一 一 耐 七 壬 I 壬 到 酬 乓 壬 尉 副 壬 流态化 口衰 田 单 级盐浴 双级 盐浴 真空炉 中 图 4小 型、 中型和大 型模块 淬火回 火后的 表 面和 中心的硬 度 3 2硬 度 分 布 热 处理后 ， 测定 了模 具 或模 块表 面 附近 及 中心 的 硬 度 。 4 6| I 的 目标硬 度值作 为 比较各 种不 同热处理 工艺

13、的基 准 ， 如 图 4所示 。对所有 的模具 和模块而 言 。 距 目标硬 度的平 均差值 是采 用单级盐浴 热处 理工艺 时 最 大 而采用双 级盐 浴热处 理工艺 时最小 真 空淬火 和 流态化 床淬火所 产生 的硬度 平均偏差 基本相 同 。 除 了一 个例 外情 况 ， 所 有其 他模 具 的硬 度值 均 保 持 在 4 3 4 8 HR C的范 围 内 ， 这 个例 外 情 况 就是 单 级 盐 浴 炉处理大型 模块 时其硬 度仅有 4 O 4 2| I 。 除 此 而 外 对于仟 何被 测定模 具或模块 来说其 表而和 中心 a ) 真空炉 d , 型模 H 34 c ) 流态化

14、 禾 d , 型 摸具 的硬 度没 有差别 换 言之 这些 差 别均未 超出 洛氏硬度 计 的允 许测量误 差范 围。 3 3 显 微 组 织 H1 3钢 的 显 微 组 织 最 好 是 回 火 马 氏 体 然 而 实 际 模 块 不 可 能 达 到 足 以 保 证 全 部 转 变 成 马 氏 体 组 织 的 冷 却 速度 。经 商业化 热处理 的 H1 3钢通常 含有 不同数 量 的贝 氏体及 晶问碳化 物 。 对 各 不 同 热 处 理 工 艺 进 行 比 较 的 原 因 之 一 是 要 确 定 穿过 临界温 度 区域 的不 同冷 却速度是 否显 著地影 响 晶 问 碳 化 物 的析 出

15、和 下 贝 氏 体 的 生 成 量 。 表 3列 出各 显微 组织 出现 的可 能性 ； 表 4给 出实 验室 显微 组 织分 级 评 定 结 果 典 型 试 样 的 显 微 组 织 照 片 如 图 5所 示 。 表 3淬火 回火 后微观 组织 之评级标 准 级 别 1 o 1 5 2 o 2 5 3 ( ) 3 5 4 0 5 o 微 观 组 织 回火 马氏体 回火 马氏体 +贝 氏体 回火 贝氏体 +马 氏体 圆火 贝氏体 +马 氏体+少 量品 问碳化物 l H 火 贝氏体 +晶问碳 化物 I 川火 贝氏体 最好是 上贝 氏体 +少蜒l ；i I 问碳化物 回火 贝氏体 最好是 上贝 氏体

16、 +鼎l 碳 化物 I 呱氏体+晶 问碳 化物 +珠 光体 b ) 真空炉 k型模 具 图 5经 淬 火 和 删 火 后 的 典 型 显 微 组 织 国外 金 属 热 处 理 l 9 9 9年 第 4期 d J 流态 化球 ， 人J 愤J _ 维普资讯 http:/ 表 4 微观 组织 之评级 啊 鼍 墨 骨 企 图 6三种模 块尺 寸和四种 不同淬火 方法 在 9 5 0 7 5 0之 间时表 面和 中心 的冷却 速率 圉 7三种摸块 和 四种不 同淬火方 法时表 面和 中心 的向 贝氏体转 变的时 间 要 快得 多 。 但 晶问碳 化 物的 析 出却并 爿 相应 地 出现 显 著 差别 。

17、 冷却 时的第二 个危 险时 间是发 生相变 的时期 它取 决于 表面和 中心都 开始发 生相 变的时 问。 冷却 速 度 和相变 完成所需 的 时间象发 生相 变时的 实际 温度 一 样 ， 也是 一个 决定性 因素 。 在硬 化过 程中 向贝氏 体和马 氏体的相 变是在一 个温 度范 围内进行 的 。开始相变 时 间取决于 上述冷 却速度 。 本研 究最 有 意义 的发 现 是 ， 在 不 同的 冷却 方 式 下 不 同温度 和时 间的相 变生成 不 同比例的 贝氏体 。 图 7用直 方图的形 式 表示每 一个被 测模块 的表 面和中 心 贝氏体 生成时 间。 贝氏体的 开始 生成取决 于

18、模 具的 表面和 中心通过 9 5 0 7 5 0 C温 度范 围的冷却 时间 。 而 向贝 氏体转 变 的结束 取 决于 在 3 2 O 2 7 0 C温 度 范围 的冷却速 率 。 如果分级 冷 却温度 恰好在 这 个温度之上 ， 或处 于采 用在 3 2 0 C之单 级 盐浴 淬 火的温 度 中 。 则 冷 却 曲线 必 然非 常平 缓 ， 从而 使 向 贝 氏体转 变的 时 问延 长 。 如果分级 冷却 的温度 在此温 度范 围 以下 则 如同用 其他 淬火 方法 时 一样 ， 向贝 氏体转 变 的 时间缩 短 。显 然 ， 大模 块 冷 却 速度 很 缓 慢 。 因而 贝 氏体 的生

19、 成 量很 多 。 3 4韧 性 在严酷 的压 铸生 产 条件 下 ， 压 铸模 的 韧性 意 义重 大 。 通过 冲击韧性 的测定 可 以获 得模具 抗御这 种恶 劣 工作条件 ， 能力的指标 ， 从而 通过 改善模 具韧性 来延长 模具的使 用寿命 。 虽然 试验规 定的 硬度是 4 6 但 实际获得 的硬 度 则在 4 3 4 8 之同 变化 ， 硬 度超过 4 6 的须 经重 新 回火 以 降低 硬 度 ， 低 于 4 6 的则 保 持原 硬 度 。 I 单级盐搭 双 级盐浴 真 空炉 口囊 E l l 一 中心 胃 岳。 K 漉态 化床 - I 一 壁 翻 _ 瓣 一 稀 I 一 L

20、 维普资讯 http:/ 级 盐浴淬 火和流 态化 床淬火 的模具分 别具有 最大和 最 小值 ， 对 中型 模 具 ， 真空 淬火 可 获得 最好 的 韧性 ， 其 次 是 双 级 盐 浴 处 理 者 。 除 了所 提 到 的 两 个 软 的 大 模 块 之 外 比较 相 同 尺 寸 的模具 时 ， 在 几种 淬火 方 法之 间并 没有 的 明显 的重 大 差 别 。 - 翟 柑 量 譬 善 鬯l 2 5 3 O 3 5 显徽 组织级 别 围 9 缺 口 冲击 韧性与 显徽组 织级别之 间的 关系 - 翟 柑 量 譬 善 窘【 、 - t 鼍 精 双 t 鼍 精 真 空 炉 、_ 毒 化 床

21、 ， 。 ： 、 。 O l O 0 o 2 O 0 o 3 O 0o 4 0 0 0 贝氏体转 变 时同 8 图 l 0缺 口冲击韧性 和 贝氏体转变 时问之 问的关 系 36 茎 圈 I I 晶间碳 化物 对缺 口冲击 韧性的 影响 图 9 1 0和 1 1分 别 比较 r各 个 被 测 试 样 的 吸 收 冲 击 能 和 微 观 组 织 级 别 、 贝 氏 体 生 成 量 以 及 通 过 9 5 0 7 5 0 C温 度 范围 的 冷却 速率 的 关 系 从 这些 关 系 可 以 得到 启 示 ， 通 过 在临 界温 度 区域 内加 速 冷却 而获 得 更 细 小的显微组 织 ， 对提

22、高模具 韧性 是有 利的 。 4最佳热 处理工 艺 实验 证 明 当模 具 冷 却 通 过 碳 化 物 析 出鼻 子 区 域 时 对 于本实验 采用 的所有 淬火方 法 即使 冷却速 度慢 到 0 1 5 C厂 s ， 也足 以避 免晶 问碳 化 物的 生成 量达到 危 险的程 度 。 图 1 2是 从大 型模块 切取 的两块试 样的 断裂 表 面的 电镜 照 片。 这 些通 过 9 5 O 7 5 0 C范 围缓慢 冷却 的 试样 清晰地 显示 出不是 晶 问破 坏而 是准 解 理断 裂 表 面 。 圈 l 2 H1 3热作 模具钢 采用 同淬火 法的 典型断裂 表面 a ) 双级 盐浴淬火

23、 ( 缺 口冲击韧性 为 1 8 焦 耳)b ) 流态 化床淬 火 缺 口冲击韧性 为 2 1焦耳 ) 放大倍 牢 5 0 0 国外 金属热 处理 ) 1 9 9 9年第 4期 ( 下转第 1 u页 ) 维普资讯 http:/ 氯法 之渗 层 与 多数 常 用 防腐 镀 层 的抗 蚀 性 进 行 了 比 较 ， 结 果 示 于 图 7。 含 N a C I 3 、 Hz 0 2 0 1 的 水溶液 试验 时间 ： 1 4 d 图 7 各 种耐蚀 处理 的耐蚀性 比较腐蚀 试 验 按 D I N 5 0 9 0 5 ( 第 四部 分) 在 研 究 的 最后 阶 段 ， 多 数 实 验 室 试 验

24、是 按 D I N 5 0 0 2 1用盐 水 喷雾 法 。 在 温 度 为 7 O 的恒 温箱 内进 行 。实验 时 。 在 8 O 1 2 0 k P a 气 压下通 过喷嘴 连续 向试 样 喷 含盐 5 的 水雾 在 试 验箱 中。 试 样 按 与 垂直 方 向 成 1 5 。 角的 位置 放 置。每 天 测量腐 蚀 面积 。为 比较 起 见 ， 也研 究 了电镀 、 氯碳共 渗 、 离子渗 氯 和 氧碳 氯共 渗 之 4 0 C r lY k ) 4试样 的耐蚀性 。试 验结果示 于 图 8 。 些热 处理部 门和拖 拉机 厂得 到 了实 际应 用。对 金属制 品和 汽 车部 件 安全

25、 保 护 装 置 的处 理 都 得 到 良好 的结 果 。 这 种 渗 氮 法 的 成 本 只 是 电 镀 法 的 l 4 l 6。 3 0 2 5 2 0 髻1 5 曩l 0 筵5 0 l。 - - l l n f ； 1 - j 巫 一一 一 r = 一 0 l 0o 2 0 o 30 o 4 OO 5 0 0 一 试 验时 间 h I l 。 2 +3 * 聿 5 - - 6 1 ) 镀 3 0肿z ) 离子渗 氮3 ) 镀 Ni 3 0 4 ) 氧碳氮共 渗 5 ) 氮碳 共 渗 6 ) 新型渗 氮法 图 8在盐水雾 气 中各种 防蚀层 耐蚀性 的 比较研究 3结 论 4 2 C r

26、lV k ) 4钢 表 面碳 氯共 渗 层 的 主要 参 数是 ： 渗 层 深度 、 相成分 、 氯 浓度 、 在盐 水 水 雾 中大 于 5 0 0 h的耐 腐 蚀性 。开发 了在利 用催化 剂制 备的 氨基炉气 中进行 耐蚀气 体渗氮 的新工 艺 。它能在 渗层 表面得 到所需 的 氯 含量 。 为提高渗 氯钢 的耐蚀性 ， 确定 _r相应 渗氯钢 的 回 火 温 度 。 这项 新技 术可 以在 一般 的 井 式渗 氯 炉 中进行 这 为它 的工业应 用展 现 了新 的潜 力 。 在这些 实 验 的基础 上 ， 新 的耐 蚀气 体渗 氯 法在 一 生业业业业 坐 业业业 业业 坐 业 坐业

27、业 坐啦坐业业 啦业啦业 业 业业啦业 ( 上 接 第 3 6页 ) 毯 赠 A c r 一 -_ 一 _ 1 - 一 一 一 I 一 一 一 A c r 一 I X | 弱 、 | 、 | M 8 氏 体 | t 时间 8 图 1 3 O R VAR S U P R E ME压铸模 的最佳 淬火 工艺流程 40 对 于所 有的 淬 火方 法来 说 。 所 用分 级温 度 及保 温 时 间似乎 并非最佳 。 本实验 证明 为获得最 佳 冲击韧性 和 最小 的 尺寸 变化 ， 必 须将 组 织 中贝 氏体 量 降至最 低 限度 并在 马氏体转 变 之前使模 具表 面和 中心的 温度均 匀一 致

28、。冷却周期 的起 始温 度必 须高于 贝 氏体转 变的 鼻 子但 低于 珠 光体 转 变 温度 区域 ， 对 于 H1 3钢 此温 度 约为 5 2 0 C 为使 贝 氏体 量尽 可能少 ， 通过 贝氏体生 成 区时必 须强冷 ， 第二级 冷却温 度应 该大约 2 0 0 C。 图 1 3表示 ( ) R VA R S U P R D血 压铸 模的典 型冷 却曲线 。 虽 然盐浴 炉 可 以满 足分级 淬 火 的温 度 要求 但只 有带 有冷 却周期控 制 的真空 炉 才能实现 准等温 阶段淬 火 。 第一 级冷却 的保 温时 间应 当足够长 以保证 模具 表 面与 中心 温度 的均 匀 一致 。 过 长 的冷 却保 温 时 间似乎 危害不 大 因为组 织转变 不会在 恒 温过程 中发生 。 国外 金 属 热 处 理 1 9 9 9年 第 4期 。o 0 0 z 暑议 蝴水 维普资讯 http:/