几种热作模具钢性能研究

对GMH20、PH25、DIEVAR 和H13 热作模具钢进行了力学性能和热稳定性试验。结果表明，经过相同工艺真空热处理处理后，GMH20 钢、PH25 钢和DIEVAR 钢的塑性明显优于H13 钢，硬度也比H13 钢高；综合来看，GMH20 和DIEVAR 钢的力学性能最佳。此外，随着在610 ℃保温时间的延长，这4 种钢的硬度越来越接近，约为35 HRC。


H13 钢是国内使用非常广泛的热作模具钢。目前，低Si 高Mo 的合金化途径是改进型H13 钢的一种发展趋势。降低Si 的优点是：(1) 减轻∧形或∨形偏析；(2) 使宏观组织均匀化；(3) 细化微观凝固组织的树枝晶；(4) 减少凝固时凝固界面上的成分过冷；(5) 减少共晶碳化物；(6) 细化奥氏体结晶;(7) 提高塑性和韧度；(8) 减小高温疲劳裂纹扩展速度；(9) 减小蠕变裂纹扩展速度；(10) 抑制淬火冷却时的贝氏体转变；(11) 提高抗热裂性。提高Mo 的优点是：(1) 提高淬透性，抑制晶界碳化物的析出和贝氏体转变；(2) 提高回火抗力；(3) 提高高温强度和高温蠕变强度；(4) 提高抗热裂能力；(5) 提高韧性；(6) 共晶碳化物细化和碳化物分布均匀。在研究热作模具钢的高温性能时，许多学者利用热稳定性试验来表征材料保持组织稳定的能力和在高温下工作时硬度、强度等力学性能的变化。
DIEVAR 钢、GMH20 钢和PH25 钢就属于低Si 高Mo 改进型H13 钢，现将3 种钢与H13 钢一起进行热处理，采用相同的热处理工艺，比较4 种钢材的硬度、力学性能、冲击韧度和热稳定性。
1、试验材料及方法
1.1、试验材料的成分
试验材料为GMH20 钢、PH25 钢、DIEVAR 钢和H13 钢，4种材料分别加工成拉伸、冲击和热稳定性硬度试样，试验材料的化学成分如表1 所示。
1.2、试验方法
常温冲击采用V 型缺口矩形试样，冲击试样为10 mm × 10 mm × 55 mm，按照GB/T 229-2007《金属夏比缺口冲击试验方法》测定，冲击试验在ZBC230Z-B 型冲击试验机上进行。拉伸试验在CMT5305 型万能试验机上进行，试棒选用 10 拉伸试棒。用Neophot30 型金相显微镜观察显微组织。用HRS-150 型数显洛氏硬度计测定硬度。4 种材料力学性能的热处理工艺为：1020 ℃直接气冷淬火，560 ℃和595 ℃各回火3 h。
热稳定性是热作模具钢的主要性能之一，它反映了模具钢在高温下工作时抗软化的能力，关系到钢的高温性能。4 种试验钢材属于H13 钢类的热作模具钢，主要用作铝合金压铸模材料。铝合金的熔点一般在600 ℃左右，如坯料在模具型腔内流动，温度会更高。因此，热稳定性试验温度选择为610 ℃。本试验的加热炉为YFX10/13Q-GC 高温箱式电阻炉，试样尺寸为15 mm × 15 mm × 10 mm。试样采用1020 ℃先预冷再气冷淬火，560 ℃、590 ℃两次回火后，放入高温箱式炉中，进行610 ℃回火，回火时间分别为2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、15 h 和20 h。测定不同保温时间后的试样硬度，并绘制曲线。
3、结论
(1) GMH20 钢、PH25 钢的力学性能优于H13钢，接近DIEVAR 钢，尤其是GMH20 钢，力学性能与DIEVAR 钢十分接近。GMH20、PH25 和DIEVAR钢的塑性明显优于H13 钢，这主要是因为3 种钢与H13 钢的化学成分相比，Si 的含量大大降低，而Mo的含量增加，这种成分的变化，可提高钢的塑性和韧性。Si 含量的降低，可以提高钢的塑性，DIEVAR 钢的Si 含量最低，所以其塑性最好。综合来看，DIEVAR 钢和GMH20 钢的力学性能最好。
(2) 在610 ℃长时间保温时，GMH20 钢和PH25钢热稳定性变化趋势十分接近，曲线几乎重合；随着保温时间的延长，4种钢材的硬度趋于相同，约为35 HRC。

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