硬度对H13热作模具钢热疲劳性能的影响

对不同硬度的H13钢进行了Uddeholm自约束热疲劳试验,结合其显微组织、显微硬度及碳化物情况探究了硬度演变对H13钢热疲劳性能的影响。结果表明：H13钢抵抗冷热疲劳的能力随硬度的升高而提高,高硬度的H13钢表面裂纹密度较高,呈分布均匀的网状,且表面高温软化程度小,裂纹深度也较浅;低硬度的H13钢表面只有若干条纵向的主裂纹。通过Jmat-pro热力学软件计算可知H13钢中存在的碳化物类型主要是M23C6、MC型,高硬度H13钢的碳化物尺寸比低硬度的小。     

H13钢热疲劳性能研究

以盐浴法为手段,对H13钢进行了热疲劳实验,探讨了淬火温度、回火温度、表面处理对其热疲劳失效裂纹的影响并确定了合理的热处理工艺。实验得出:试样热疲劳循环次数在400个周期时,裂纹形成后扩展迅速,裂纹平均生长速度约为2.51×10-3mm/周,而采用1 020℃淬火、640℃回火热处理工艺,与裂纹平均生长速度相比,热疲劳裂纹生长速度减缓了0.45×10-3mm/周,表面渗氮的试样裂纹源可推迟50个热疲劳循环周期。     

热处理工艺对H13钢热疲劳性能的影响

对H13钢试样分别从1 030℃、1 060℃、1 080℃和1 130℃淬火,随后于相同温度回火,以及从相同温度淬火随后分别于590℃、620℃、640℃和660℃回火。热处理后对试样进行了热疲劳试验:将试样循环感应加热和水冷3 000次,使其温度在30℃和700℃之间周期性变化。然后观察试样的表面和截面形貌,以揭示热处理工艺对H13钢热疲劳性能的影响。结果表明:热处理工艺对H13钢的热疲劳性能有影响,经1 080℃淬火、640℃回火的H13钢抗热疲劳性能最佳。此外,淬火、回火前进行球化退火有助于改善H13钢的抗热疲劳性能。     

表面脱碳层对H13钢热疲劳性能的影响

主要研究了在自约束条件下,表面脱碳层对H13钢热疲劳性能的影响.结果显示,含脱碳层试样表面开裂严重,表层硬度急剧下降,热疲劳损伤因子大大高于半脱碳和无脱碳的试样.说明脱碳造成材料表层含碳量减少,强度降低,使热疲劳时产生的交变热应力超过材料的屈服强度,引起往复塑性变形,逐渐造成损伤累积,从而导致钢的热疲劳强度下降.     

稀土元素Ce对H13钢热疲劳性能的影响

对不同Ce含量的H13钢进行1040℃油淬和580℃两次回火处理后进行热疲劳循环试验,采用光学显微镜、扫描电镜及硬度计对不同热疲劳循环次数下试验钢的显微组织、裂纹形貌及硬度进行分析。结果表明,试验钢热疲劳循环后显微组织为回火索氏体,热疲劳裂纹优先在预先处理的缺口尖端处萌生,热疲劳循环过程中出现的氧化凹坑和夹杂物会促使裂纹生成,裂纹不断扩展,宽度增加。稀土Ce对试验钢组织和晶粒尺寸有明显的细化作用,提升试验钢的抗软化能力,抑制热疲劳裂纹的生长,其中最佳稀土Ce含量为0.026%。     

深冷处理对H13钢组织和热疲劳性能的影响

采用OM、SEM、TEM、XRD、显微硬度计以及热疲劳试验机等方法研究了深冷处理对H13型热作模具钢的组织和性能的影响,并与常规淬回火工艺进行了对比分析。结果表明,在常规的淬回火工艺的基础上增加深冷处理有利于细化试验钢的晶粒组织并促进残留奥氏体向马氏体转变。此外,在深冷处理的条件下马氏体晶格由于在极低温易发生收缩而促使碳原子在位错等缺陷处偏聚,回火过程中以碳化物的形式析出。这些析出的大量细小弥散分布的碳化物可钉扎位错,对热循环引起的应力集中起到一定的缓解作用,减缓降低热疲劳裂纹扩展速率。且深冷处理后细小弥散分布的碳化物析出降低了H13钢热疲劳过程中碳化物长大速率,减少了热疲劳裂纹的数量,从而提高热疲劳性能。     

深层渗碳对H13钢显微组织和硬度的影响

采用OM、TEM和XRD对深层渗碳处理后H13钢的显微组织进行观测,研究了深层渗碳对H13钢显微组织和硬度的影响。结果表明:渗碳后完全退火试样与渗碳后球化退火试样的渗碳层厚度均在3 mm以上,组织细密均匀,硬度提高30%~60%;渗碳后球化退火试样的晶粒更细小,基体上碳化物弥散分布并存在较多的亚结构,且表面硬度稍高于渗碳后完全退火试样。最佳深层渗碳处理工艺为1000℃下固体渗碳4 h,接着进行球化退火(840℃保温4 h,炉冷到740℃再保温4 h,炉冷到500℃后空冷到室温),然后进行1030℃淬火10 min,最后进行560℃回火2次,每次2 h。     

离子渗氮化合物层对H13钢热疲劳性能的影响

采用Uddeholm热疲劳试验方法，用机械磨去法和在等离子体气氛内加氩的方法除去化合物层，并与有化合物层的热疲劳试样进行对比，以研究化合物层对H13钢热疲劳性能的影响。研究结果表明，化合物层所具有的高硬度和高强度，能使其推迟热疲劳裂纹的萌生，并在一定程度上阻止热裂纹向基体内部扩展，但有化合物层试样的热裂纹在表面扩展较快，经3000周热循环后，观察到横断面的热裂纹宽度较大、数量较多。     

热作模具用H13和Dievar钢的热疲劳性能

对比研究了回火温度对热作模具用H13和Dievar钢热疲劳性能的影响。H13和Dievar钢经过520、580和640 ℃回火处理后,采用自主搭建的Uddeholm自约束疲劳试验装置分别对试样进行1000次热疲劳试验,并用热疲劳损伤因子对热疲劳损伤过程进行定量描述。结果表明,在相同回火温度下,Dievar钢具有较低的硬度和较高的冲击性能,抗疲劳性能优于H13钢。H13和Dievar钢在580 ℃ 回火处理后,碳化物尺寸分别约为10.1 μm和6.3 μm,H13钢碳化物含量高且尺寸大,导致韧性和抗热疲劳性能降低。     

温滚压对H13钢疲劳寿命的影响研究

温滚压是一种将材料加热到再结晶温度之下某一温度并进行滚压的方法。与普通滚压相比,在某些温度下的温滚压可以更好地提高疲劳寿命。本文针对一种常用的热作模具钢——H13钢开展了温滚压的系列实验研究,在搭建温滚压实验平台的基础上,对未滚压工件和在不同温度下滚压的工件进行了疲劳实验。结果表明,与室温滚压相比,200℃下的温滚压能够进一步提升H13钢的疲劳寿命;而350℃时的温滚压在低周疲劳区域起到了优于室温滚压的延寿效果,但在高周疲劳区域延寿效果减弱,随着循环应力水平降低其疲劳寿命甚至会低于未滚压工件。最后进一步分析了温滚压提升疲劳寿命的机理。     

H13钢渗硼层热疲劳性能的研究

采用Uddeholm自约束热疲劳试验方法,运用扫描电镜、X射线衍射分析技术及X射线应力测试仪等,研究了H13钢渗硼层在3000周次的热疲劳试验后,渗层形貌和相组成的变化,以及0-3000周次的热循环过程中,表面残余应力的变化,并与未渗硼试样进行对比.分析了渗硼层热疲劳裂纹形成的原因.结果表明,渗硼层所具有的高强度和好的热稳定性,改变了热疲劳裂纹的萌生及扩展的方式和热疲劳裂纹的形貌,提高了H13钢的热疲劳抗力.     

预先热处理对H13钢疲劳寿命的影响

进行预先热处理达到提高热作模具疲劳寿命的目的。试验结果表明，经锻造余热淬火和高温回火后，模具的疲劳寿命优于锻造空冷和球化退火者。前者处理后的试样具有较细小，弥散的碳化物。     

奥氏体化温度对含铌H13钢热疲劳性能的影响

对比研究了不同奥氏体化温度下含铌0．07wt％的H13钢和普通H13钢的热疲劳性能。结果表明,奥氏体化温度明显影响两种钢的热疲劳性能,两种钢在1080℃奥氏体化后均具有最好的热疲劳性能。含0．07％Nb的H13钢可以提高其奥氏体化温度至1120℃,在此温度奥氏体化后该钢的热疲劳性能优于H13钢在1030℃和1080℃淬火条件下的。     

Cr基涂层对H13钢耐磨性及热疲劳性能的影响

采用非平衡磁控溅射技术,在高淬火高回火H13钢及再加氮化的H13钢表面沉积CrN及CrMoN涂层,分析和测试涂层的微观结构和形貌、纳米硬度和弹性模量、摩擦学性能,以及涂层对两种基体热疲劳性能的影响。结果表明,CrN和CrMoN涂层均匀致密,呈FCC结构,有效地强化了H13钢表面。与CrN涂层相比,CrMoN涂层有着更高的纳米硬度(21.73GPa)、弹性模量(268.34 Ga)以及更低的摩擦系数(0.37),从而更有效地改善了H13钢的摩擦学性能。此外,CrMoN涂层大大改善了H13钢抗热疲劳性能,经1 000次热疲劳实验,表面无明显的宏观裂纹,损伤因子近似为零。其次,CrN涂层也显示了较低的表面损伤因子(0.009),裂纹数量明显减少。然而,CrMoN和CrN涂层难以缓解氮化H13钢表面粗大的网状裂纹,表面损伤因子(0.032,0.104)明显高于H13钢(0.012)。     

H13钢热疲劳后碳化物形态和组分的变化

采用薄膜电子衍射和萃取复型方法研究了压铸模具用钢H13钢经热疲劳后的碳化物形态和组分变化.结果表明,H13钢在热疲劳过程中表层硬度发生循环软化,循环软化主要与富铬的M23C6碳化物粒子的粗化和位错密度的降低有关.H13钢中富Cr的球状的M23C6碳化物在热疲劳过程中的成分变化是影响材料表层热疲劳循环软化的一个重要因素.球状的M23C6碳化物在热疲劳过程中,Cr和Mo等合金元素的含量在增加,而V的含量相对减少.     

SDH13钢的组织性能及热疲劳行为研究

研究了钢的生产工艺对模具性能和使用寿命的影响。研究结果表明,普通工艺生产的H13钢模块含有大块状共晶碳化物,并且存在成分偏析,导致钢的冲击韧度降低,影响模具的使用性能。而采用高温均匀化和超细化等工艺处理SDH13钢,则消除了大块共晶碳化物,改善了偏析和碳化物的形态及分布,细化了组织,从而提高了模块的心部强韧性和模具的使用寿命。     

RE-N-C-S-V-Nb 多元共渗 H13 钢的热疲劳性能研究

利用扫描电镜、X射线衍射分析技术,对比经过RE-N-C-S-V-Nb多元共渗处理、气体渗氮处理和淬火+回火处理的H13钢三种试样的热疲劳性能,依据裂纹特征、裂纹结构,证明RE-N-C-S-V-Nb多元共渗H13钢具有较强的抗热疲劳性能。研究了多元共渗钒铌碳氮化物的细晶强化作用和位错强化作用,及其对钢热稳定性、高温硬度和抗氧化性的影响,从理论上揭示了RE-N-C-S-V-Nb多元共渗对热疲劳性能的强化机制。     

等温淬火对H13钢组织、硬度和拉伸性能的影响

对H13钢进行不同工艺的等温淬火和回火处理,探讨了等温淬火工艺对H13钢组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明,随着等温温度的降低,显微组织中马氏体板条被逐渐增多的下贝氏体分割、细化;试样的硬度随着下贝氏体的增多而降低;抗拉强度与伸长率具有相同的变化趋势,即随下贝氏体的增加先提高后降低,在340℃等温75 min再进行560℃×2 h和540℃×2 h两次回火后均达到最大值,并相对于普通淬火分别提高了23.5%和36.2%,说明马氏体/下贝氏体(M/B_L)复相组织中下贝氏体对H13钢拉伸性能的影响存在一个临界体积分数值。     

喷丸对H13钢单边带缺口试样疲劳裂纹扩展行为的影响

喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。