想提高铝挤压模具的寿命？如何控制H13的质量

　　

　　　　H13钢是使用更广泛和更具代表性的热作模具钢种，其特性非常适合用于铝型材挤圧生产。

　　

　　　　然而，随着铝型材挤压行业的发展，铝型材向更大、更复杂的方向发展，这就对挤压模具提出了更高的性能要求。

　　

　　　　化学成分对H13钢性能的影响

　　

　　　　1、C含量与钢的强度成正比关系，钢中增加C含量将提高钢的强度，对热作模具钢而言，会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，但会导致其韧度的降低。

　　

　　　　2、Cr对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响；含量较高时，其回火抗力也高，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能。

　　

　　　　3、Ti、V、Mo元素。锻造或淬火阶段，Ti、V. Mo等碳化物形成元素会形成难溶于奥氏体的合金碳化物，进而阻碍奥氏体晶粒长大，起到细化奥氏体晶粒功效。

　　

　　　　另外，回火工序阶段，因H13钢含有较多碳化物形成元素(Ti、V , Mo)，当回火温度高于500℃时，渗碳体溶解，形成细小、弥散分布的合金碳化物。合金碳化物的弥散析出可使H13出现二次硬化现象。

　　

　　　　H13钢的金相组织与性能

　　

　　　　1、球化退火组织

　　

　　　　H13钢以退火状态验收时，此状态下钢材的主要组织为珠光体。退火工艺不同，生成的珠光体形态也不同。在Ac1+(20 ~ 40)℃或 Acm-(20 ~ 30)℃保温后，等温冷却或直接缓慢冷却便可得到粒状珠光体。粒状珠光体与化学成分相同的片状珠光体相比，强度、硬度较低，而塑性韧性较好。

　　

　　　　综上所述，对于退火状态的H13钢，为了后续机加工成型更容易进行,也为了在淬火阶段得到细化晶粒的奥氏体，一般要求原始组织为点状或粒状珠光体，见图1。

　　

　　　　2、热处理强化

　　

　　　　退火态的H13主要组织为珠光体，其性能还达不到模具工作的要求，必须对其进行淬火-回火热处理强化，以提高其整体性能。

　　

　　　　淬火阶段，把钢材加热到奥氏体化温度以上，再以较大的过冷度冷却钢材，以获得淬火马氏体组织。回火阶段，把钢材重新加热到奥氏体化温度以下，使淬火马氏体组织转变成回火马氏体组织，以提高钢材的综合性能。

　　

　　　　（1）淬火阶段

　　

　　　　通过对企业大量的过早失效的模具进行金相分析发现，奥氏体晶粒粗大是导致模具过早失效的重要原因之一。奥氏体晶粒的粗细直接关系到模具的使用寿命。

　　

　　　　粗大晶粒会降低冲击韧度，降低裂纹扩展功、提高冷脆区域，晶粒越大，钢淬火时开裂和畸变倾向会越大。因此，须对奥氏体晶粒大小进行有效控制。

　　

　　　　钢的原始组织和热条件会对奥氏体晶发生影响。因此，在淬火阶段，要获得细化晶粒的奧氏体，必须严格控制好加热温度和保温时间。

　　

　　　　（2）回火阶段

　　

　　　　钢材淬火后，内部会存在较大内应力。而且生成的组织（淬火马氏体、残余奥氏体）也属于亚稳定结构，不能直接使用。后续工序回火的目的就是消除内应力，使亚稳定组织转变成稳定组织。

　　

　　　　回火过程中，随着温度的增高，组织的变化可分为四个阶段。

　　

　　　　阶段是70-200℃：

　　

　　　　淬火马氏体分解成低碳马氏体和ε碳化物，并消除内应力。

　　

　　　　第二阶段在200-300℃：

　　

　　　　残余奥氏体分解成马氏体。

　　

　　　　第三阶段在250℃以上进行：

　　

　　　　把马氏体和ε相转变成铁素体加渗碳体，随着温度增加发生连续软化过程，渗碳体呈片状析出时会表现出低温脆化现象。

　　

　　　　第四阶段是含有Cr、W、Mo、V、Ti等碳化物生成元素的合金钢，在约500℃以上置换型扩散自由进行的温度下伴随有温度碳化物析出和长大的变换。

　　

　　　　此外，除Cr外，这些碳化物微粒析出时使晶格畸变，或因为位错被钉住，钢再度硬化（二次硬化）。

　　

　　　　C、Mn、Cr的含量越多，淬火温度越高和冷却速度越慢，则残余奥氏体量就越多。

　　

　　　　过多的残余奥氏体会降低淬火硬度，使用中因时效变形（转变成马氏体）而发生脆化。一般的一次回火并不能使残余奥氏体降低到合理水平，在实际生产中，采用二次回火，回火温度通常为590℃左右，风冷。

　　

　　　　由于马氏体是在快速冷却下形成的，所以每次回火结束后风冷，以形成温度梯度，使残余奥氏体更彻底地进行转变。二次回火后，工件硬度保持在HRC 47-50便可保证其性能满足要求。

　　

　　　　3、带状偏析

　　

　　　　（1）形成机理

　　

　　　　H13钢属于合金元素含量较高的过共析钢，在冶炼、铸造时均有可能出现碳化物偏析，锻轧后形成粗大的碳化物带。

　　

　　　　碳化物的数量、大小及分布状态直接影响钢材的组织与性能。由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带和贫化带彼此交替堆叠。成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。

　　

　　　　（2）带状偏析组织的力学性能对比

　　

　　　　选取两个不同供应商（A厂和B厂）材料分别各制取3个试样进行室温和高温（550℃）力学性能对比（表1和表2 ）。

　　

　　　　其中1#、3#、4#为A厂样品；2#、 5#、 6#为B厂样品。

　　

　　　　通过上述图表数据对比得知：

　　

　　　　A、1#试样带状偏析更严重，三项性能均有明显下降的趋势。

　　

　　　　B、3#、4#试样带状偏析基本消除，但仍存在的部分偏析影响了其延伸率和断面收缩率。

　　

　　　　（3）带状偏析组织消除方法

　　

　　　　带状组织是一种原材料缺陷，生产中很难避免，只能靠后续工序减轻或消除。一般采用的方法是均匀化退火或多次锻打。

　　

　　　　均匀化退火是指将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温然后随炉冷却。以使钢的化学成分和组织均匀化。均匀化退火的缺点是能耗高，易使晶粒粗大。

　　

　　　　为细化晶粒，均匀化退火后应进行完全退火或正火改善。均匀化退火只能解决晶内偏析，并不能根除带状组织，这是因为原子在固态下移动的距离有限。

　　

　　　　锻打就是锻造，是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形。

　　

　　　　以上两种方法交替使用，可明显减轻或消除带状偏析现象。近年来发展起来的锻后淬火后高温回火工艺，对大碳化物以及不严重带状组织有一定的细化效果。

　　

　　　　东锜模具钢总结：就铝型材企业而言，模具的优劣直接影响了挤压铝型材产品的质量，而模具的质量又与其选材息息相关。因此，对于模具加工厂，乃至铝型材企业，模具钢材料的质量控制是至关重要的，它影响着模具的使用寿命、产品质量与生产效益等。

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