熔化的金属通过中间包进行雾化, 熔融的金属被氮 气雾化成小液滴, 氮气的压力是 1 3MP a, 被加速的 液滴沉积在旋转的基板上, 随着沉积坯的增长, 基板 向后移动, 保证基板到喷嘴的距离是一个常数. 其 化学成分如表 1所示.
表 1 喷射成形 H 13钢的化学成分 (质量分数 ) T able 1 Ch em ical compos it ion of sp ray form ed H 13 steel %
北京科技大学学 报
第 33卷
图 1 H13 钢的组织照片. ( a) 铸态; ( b) 铸锻态; ( c) 喷射成形态; ( d ) 喷锻 F ig. 1 Photom icrographs of H 13 tool s tee:l ( a) casting; ( b ) forging; ( c) spray form ing; ( d) spray form ing and forging
图 2 H 13钢的 XRD 谱. ( a) 铸态; ( b) 喷射成形 F ig. 2 X ray d iffract ion pattern s of H 13 stee:l ( a) cast ing; ( b) spray form ing
前马氏体的量相对增加, 残余奥氏体的量相对减少, 表现在性能上, 致密加工后硬度稍高些.
C S i M n Cr M o V
P
S
Fe
0 41 1 02 0 40 5 21 1 40 0 92 ! 0 03 ! 0 03 余量
1 2 锻造工艺 采用 750 kg空气锤, 开锻温度为 1 160 ∀ , 终锻
温度不低于 950 ∀ . 将喷射成形后的沉积坯锻造成 25mm 左右试样.
1 3 回火工艺 分别对喷射成形沉积态及其锻造后的样品在淬
喷射成形技术是把液态金属的雾化和雾化熔滴 的沉积自然结合起来, 在一步冶金操作中完成, 以最 少的工序, 直接从液态金属制取具有快速凝固组织、 整体致密以及接近零件实际形状的高性能材料或半 成品坯件的技术. 喷射成形工艺能够使合金中粗大 的组织发生破碎而细化为等轴状的微观组织, 同时 可以增大合金元素的过饱和度、消除宏观偏析等, 成 为替代传统制备技术的新材料制备技术 [ 1 4] . 因此, 喷射成形技术对于冶金材料制备行业来讲, 有着广 泛的适应性, 是标志材料制备技术更新换代的一种 新型技术手段, 在国际上, 与半固态加工、薄板坯铸 轧一起被誉为 21 世纪材料制备工艺发展的三大技 术之一, 并被称为 未来材料制备技术之星 . [ 5 7]
冲击功. 碳化物带状偏析和网状碳化物, 经常规热 处理工艺处理后, 往往不能消除, 可以遗传到最终热 处理的组 织中, 直接 影响最 终热 处理 后的组 织和 性能.
图 1 是铸态、铸锻态、喷射成形和 喷锻的 H 13 钢的显微组织金相照片. 从照片中可以看出: 铸造 H 13钢的显微组织主要是粗大的枝晶和枝晶间粗大 的碳化物 (图 1( a) ) ; 而锻造打碎了粗大的枝晶, 进 一 步 细 化 晶 粒, 晶 粒 大 小 为 100 ~ 150 m ( 图 1( b) ) . 在雾化和沉积过程中, 高的冷却速率抑 制了大范围的偏析和晶粒的粗化, 同时增加了合金 的固溶度. 喷射成形 H 13钢的组织, 主要是等轴晶 粒, 晶粒大小为 20~ 30 m ( 图 1( c) ). 喷锻的组织 晶粒更加细小均 匀, 晶粒 小于 10 m, 组 织更加致 密, 喷射成形的组织中存在一些孔隙 ( 图 1( c) 中的 黑点 ), 而锻造后组织中没有孔隙.
喷射成形的雾化和沉积过程中高的冷却速率抑 制了元素的偏析并细化了晶粒, 其雾化过程相当于 金属液滴从液态直接淬火, 碳和合金元素几乎全部 溶解, 故淬火后显示出比同样成分锻造组织更高的 硬度.
喷锻的硬度比喷射成形态的高, 这是因为锻后 组织更细化, 致密度更高; 同时, 锻造加工后比加工
# 30#
Correspond ing au thor, E m a i:l hu ang j @f 263. net
ABSTRACT H 13 steel w as prepa red by trad itional processes and spray form ing respectively, then it was subjected to forg ing pro ces ses. T he m ic rostructure and hardness ofH 13 steel prepa red by d ifferent processes we re studied by optica lm icro scopy ( OM ), scann ing e lectron m icroscopy ( SEM ), X ray d iffraction ( XRD ) and hardness tester. The results show that the spray form ed and forged H 13 steel po ssesses a finer g rain s ize and a h igher hardness than traditionalH 13 stee.l KEY W ORDS d ie stee;l spray form ing; m icrostructure; hardness
火后同时进行回火, 分别经过 500、550、600、650和 700 ∀ 五个温度的回火处理, 保温 2 h, 然后空冷. 以 比较同种材料沉积态和锻造态的组织及性能特点. 1 4 组织与硬度测试
采用光学 金相显 微镜 ( OM ) 、Cam bridge S250 型扫描电镜 ( SEM ) 分析材料的组织与 第二相形貌 特征, 并用 PH IL IPS APD 10型 X 射线衍射 ( XRD ) 仪等对材 料不同状态 下的相组 成等进行 研究. 此 外, 用 HR 150D洛氏硬度计进行硬度测试.
图 2为铸态和喷射成形态的 H 13钢的 XRD相 分析结果. 从图中可以看出, 铸态和喷射成形态主 要都是由马氏体 ( M )和残余奥氏体 ( ) 组成.
根据 XRD衍射结果计算铸态含残余奥氏体体 积分数为 7% , 喷射成形态的残余奥氏体体积分数 为 30% . 由此可看出, 铸态比喷射成形 H 13钢的组 织中马氏体的含量相对高. 关于喷射成形 H 13钢存 在残余奥氏体的原因, 相关报道 [ 8 10] 解释为喷射成 形过程比传统铸造的冷却速度快, 使合金元素大量 保留在奥氏体中, 提高奥氏体稳定性, 马氏体转变开 始的 M s温度提高. 2 2 不同工艺状态 H13钢的硬度
由于 H 13钢被广泛应用, 具有代表性, 因此本 文以 H 13钢为研究对象, 分别用传统铸造和喷射成 形技术制备 H 13钢, 由于喷射成形的沉积坯会有一 些孔隙, 因此对其进行锻造加工, 得到更加致密的组 织, 经过对喷射成形及其锻造加工的 H 13钢的组织 和性能的检测分析, 并与传统工艺铸造和铸锻方法
1 ) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 通信作者, E m ai:l huang j @f 263. n et
摘 要 用传统铸造和 喷射 成形 工艺 制备 了 H 13钢, 然 后再 进行 锻造 加工, 利 用光 学金 相显 微镜 ( OM )、扫 描电 子 显微 镜 ( SEM )、X 射线衍射分析 ( XRD )等分析 方法及硬度测试对不同工 艺制备 的 H13钢的 显微组 织和硬 度进行分 析. 研究结 果表 明, 喷射成形及其锻造加工 的 H 13钢的组织及硬度明显的优 于传统工艺制备的 H 13钢. 关键词 模具钢; 喷射成形 ; 显微组织; 硬度 分类号 TG 142 1
2 实验结果和讨论
2 1 不同工艺状态 H13钢的组织 H 13钢由于碳和合金元素的作用, 特别是铬元
素的作用, 使铸锭在冷却过程中, 产生严重的宏观成 分偏析, 在铸锭的个别区域, 尤其是最后凝固的中心 区域, 碳和合金元素富集到共晶成分, 出现少量不平 衡的亚稳定共晶碳化物, 共晶碳化物由边部向心部 逐渐增加, 使冲击韧性逐渐降低. 宏观偏析严重的 铸态组织经过变形, 具有不同化学成分的各显微区 域拉长并形 成带状 组织, 显著 降低 H 13 的塑 性指 标, 尤其是横向的冲击韧性. 缓慢冷却的铸态组织 会形成二次碳化物网络, 从而弱化晶界, 造成裂纹优 先在碳化物聚集的晶界处形成, 并沿晶界扩展, 降低
M icrostructure and hardness of spray form ed H13 steel
H UAN G J in f eng1) , CA I Yu li1) , YU Yi peng1) , CUI H ua2) , ZH AN G J i shan1) 1 ) State K ey Laboratory for A dvanced M etals and M aterials, U n iversity of S cience and Techno logy Beijing, B eijing 100083, C h ina 2 ) Schoo l ofM aterials Science and Engineering, U n iversity of Science and T echnology B eijing, Beij ing 100083, Ch in a
近年来, 随着工模具行业的迅速发展, 工模具钢
的发展也极为迅速. 由于工业生产技术的发展和不 断出现的新材料, 工模具的工作条件日益苛刻, 对工 模具钢的性能、品质和品种等方面不断地提出了新 的要求. 为此, 世界各国近年来都积极开发了具有 各种特性、适应不同性能要求的新型工模具钢. H 13 钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢, 具 有高的淬透性和抗热裂能力. 广泛应用于热锻模、 热挤压模和有色金属压铸模.