NADCA(北美压铸协会)推荐H13工具钢工艺规范

0 NADCA(北美压铸协会)推荐 H13 工具钢工艺规范 钢的验收标准 真空热处理 模锻焊 模焊（冲模堆焊） 1 优质和高级优质H13 钢及其压铸模具的热处理验收标准 NADCA #207-2003(优质品和高级优质品) 目录 页码 摘要.....................................................................................................................................................1 目的综述.............................................................................................................................................1 Ⅰ材料质量要求.................................................................................................................................2 Ⅱ材料质量合格证.............................................................................................................................6 Ⅲ热处理质量要求.............................................................................................................................6 Ⅳ热处理质量检验要求：.................................................................................................................9 Ⅴ热处理质量合格证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ...................................................................................................................12 附录 1：............................................................................................................................................16 附录 2................................................................................................................................................21 附录 3................................................................................................................................................37 2 提供： NADCA 材料委员会 本文中涉及的 ASTM 标准可从其销售部门获得：： ASTM Sales Department ,100 Barr Harbor Drive ,West Conshohocken, 邮编 19428 电话：610.832.9500 北美压铸协会, 地址：9701 West Higgins Road, Suite 880 Rosemont, IIIlinois, 60018-4733 电话：847.292.3600 传真：847.292.3620 电子邮箱：publications@diecasting.org 3 2003#版权 北美压铸协会 Rosemont, IIIinois 60018-4733 美利坚合众国印刷 未经出版者书面许可，不得以任何电子或机械的形式对本书的任何部分进行翻印或利 用，包括复印、录音或通过信息存储和检索系统。 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NADCA#207-2003优质钢的规范要求。 注意：NADCA 已尽一切努力确保本工艺规范中所包含信息的准确性，但是 NADCA 对使 用本工艺规范所导致的损坏、伤害或经济损失不承担任何责任。 请核对供货说明书，以获取所使用产品的详细指南,确保遵守所有安全规范。 2 Ⅰ材料质量要求 A 主要合金元素及杂质的百分含量（以重量百分比） 钢的特定质量等级要按照化学成分进行分类，如表 1。 表 1 特殊质量模具钢的化学成分 B 硬度 优质及高级优质钢均应：退火后的硬度不应超过 HBW235。 C 显微清洁度 显微清洁度（非金属夹杂物严重程度）的允许限度，应依据 ASTM E45 的方法 A（最新 版本）确定。应用 I-r 获取额定增量 0.5。最大允许值如下。 优质钢 高级优质钢 杂质类型 细系 粗系 细系 粗系 A（硫化物） 1.0 0.5 0.5 0.5 B（铝化物） 1.5 1.0 1.5 1.0 C（硅酸盐） 1.0 1.0 0.5 0.5 D（球状氧化物） 2.0 1.0 1.5 1.0 D．超声波探伤 进行适当的超声波探伤，以确保无缺陷。所有坯料不应存在超声波探伤时的内部缺陷： 如带状物、氧化物、孔隙、裂纹、严重偏析等。原始钢坯的超声波探伤按 ASTM 推荐的 A 388 和 E 114 标准（最新版本）。验收标准由买卖双方协商达成。 NADCA 等级 材料类别 C Mn P S Si Cr Mo V A 优质 H13 型 0.37-0.42 0.20-0.50 ≤0.025 ≤0.005 0.80-1.20 5.00-5.50 1.20-1.75 0.80-1.20 B 高级优质H13型 0.37-0.42 0.20-0.50 ≤0.015 ≤0.003 0.80-1.20 5.00-5.50 1.20-1.75 0.80-1.00 C 改进后 2367 型 0.32-0.40 0.10-0.60 ≤0.020 ≤0.003 0.10-0.50 4.70-5.30 2.00-3.30 0.40-0.70 D H11 型/2343 0.35-0.42 0.20-0.60 ≤0.025 ≤0.003 0.80-1.20 5.00-5.50 1.10-1.60 0.30-0.60 E 改进后 H11 型 0.32-0.43 0.10-0.70 ≤0.020 ≤0.003 0.10-0.55 4.70-5.70 1.10-2.10 0.30-0.60 3 E．冲击试验 所有厚度≥2-1/2″的轧制成品都可以进行冲击性能试验。试样应取自于母坯横截面的 中心位置（见图 1、图 2）。 每批生产材料至少要取 5个试样进行冲击试验，一批材料必须 是在相同工艺下锻造或轧制成同一尺寸，并统一装炉退火的坯料。铸造、轧制工艺不同， 成形尺寸不同、不是一次装炉退火的钢锭都为多批次处理，需要进行追加的试验。 图 1. 矩形/正方形母料 V形缺口摆锤冲击试验试样采取位置示意图，在横截面的中心处采样。 注意：缺口基面应与母料纵轴方向平行，参看 ASTM A370 最新版本夏比 V 形缺口摆锤 冲击试验试样采取位置。 图 2 圆截面棒料 V 形缺口摆锤冲击试验试样采取示意图，在横截面的中心处采样。 注意：缺口基面应与母料纵向平行，参看 ASTM A370 最新版本夏比 V形缺口摆锤冲击试验 试样采取位置。 单个试件应按大于额定尺寸（1/2”×1/2”×2-1/2”）进行机械加工，试件在加工到 最终尺寸之前应进行淬火、回火。对试件进行如下热处理、加工和检验： 1.在 1885℉（1030℃）的温度下奥氏体化 30min； 2.油淬，油温最高为 120℉（50℃）； 3.在 1100℉（590℃）温度下至少进行两次回火，每次回火至少保温 2h，以达到最终硬 4 度；HRC 44-46； 4.每次回火之间空冷至室温； 5.遵守之前试验的淬火过程，将试样加工至最终尺寸并磨光。 参看 ASTM A370 夏比 V形缺口摆锤冲击试验试件，图 11a: ● 相邻边之间应保证 90°±10’ ● 截面尺寸精度为 ±0.100mm (±0.004in) ● 试件长度应为 55±1mm（2.165±0.040in） ● 55×10 mm 面上的表面粗糙度 ≤63µin（1.6μm）。 缺口长度方向与棱边的角度 90°±2° 相邻边之间的角度 90°±10min. 截面尺寸精度 ±0.075 mm（±0.003in） 试件长度精度（L） ＋0，－2.5mm（＋0，－0.100 in） 缺口中心（L/2） ±1mm（±0.039in） 缺口角度精度 ±1° 缺口半径精度 ±0.025 mm（±0.001in） 缺口深度精度 ±0.025 mm（±0.001in） 粗糙度要求 缺口表面和反面为 2µm（63µin.） 其它两个表面为 4µm（125µin.） ASTM A370 中图 11a 夏比全尺寸冲击试验试件 6. 在室温下使用试验机对五个冲击试样进行试验，试验机应符合 ASTM E23 标准的校 准要求。得到 5个试验值，去掉 1个最高值和 1个最低值，剩余 3个取平均值。具 体试验数值应符合下述规定值。 7. 验收标准： 5 a) 优质钢：平均值为 8英尺·磅，单个最小值为 6英尺·磅。 b) 高级优质钢：平均值为 10 英尺·磅，单个最小值为 8英尺·磅。 注意： 这些冲击韧性值仅适用在最终加工之前，依照上述方法进行单独热处理的冲击试 样。最终加工之后，在夏比冲击试样上开缺口，缺口最好磨光，不允许出现 EDM 缺口。 F. 晶粒度： 晶粒度的测定依照 ASTM E112 标准采用直接淬火方法：在 1885℉（1030℃）的温度 下奥氏体化 30min，中速或快速淬火以及在最低 1100℉（594℃）的温度下进行回火。淬火 应在保护介质中进行，或在非保护介质中采用过大的试件进行。晶粒度等级采用 ASTM 标准 中的比较法获得，应控制在 ASTM 标准 7级或更细（≥7 级 ）。 晶粒度的判定也可以采用另一种方法：取一代表性的试件进行淬火（在保护介质或在 非保护介质中采用适当过大尺寸的试件，并在1885℉（1030℃）的温度下加热 30min 后空 冷），但不进行回火，对淬火断层的晶粒度等级进行评定，应≥7级 G．退火后的显微结构 对交货钢进行抛光，并用 5%浓度的硝酸酒精溶液蚀刻之后，放大 500 倍，其显微结构 应为：主要为铁素体基体，球状碳化物均匀分布在铁素体基体上。H13 钢退火显微结构参 看 NADCA 退火显微结构图片(见封面内页)。 H: 带状偏析 与 NADCA 带状偏析标准图相比，退火显微结构应无过度的带状偏析，对于尺寸≤4″的 ， 除非初级碳化物过量，否则允许有带状偏析。 6 Ⅱ材料质量合格证 依照本规范的 NADCA 优质或高级优质 H13 模具钢而指定的材料应附有钢供应商提供的 出厂合格证明，该证明包含以下数据和信息： A. 供应商热处理说明 B. 退火后布氏硬度 C. 化学成分分析 D. 显微清洁度等级 E. 超探合格证 F. 晶粒度等级 G. 退火后显微结构等级 H. 微观带状物等级 I. 冲击试验结果：应包括试件的三个单独值以及平均值、热处理和最终硬度。 Ⅲ热处理质量要求 真空热处理要求 优质的和高级优质 H13 钢的最关键热处理参数为：奥氏体化和冷却速率。冷速必须严 格控制，以减少变形和开裂的风险，同时获得最优的冶金性能。 高级优质钢注意事项：在淬火之前，工件上必须附有专门的试料块。详见第 IV-L 节 。 A. 设备 优质钢—— ● 真空炉，有至少 2 巴的回填充能力和一个与并联热电偶相连的程序化的炉控制器 ● 充分的冷却能力，对表面温度为 1885℉（1030℃）的模具进行冷却的最小的速率为 50℉/min（28℃/min）。见第 III-F 节。 ●在淬火的过程中，以表面和芯部热电偶的输入温度为基础有等温保持的能力 高级优质钢—— ●真空炉，有至少 5巴的回填充能力和一个与并联热电偶相连的程序化的炉控制器 7 ●充分的冷却能力，对表面温度为 1885℉（1030℃）的模具进行冷却的最小的速率为 50℉/min（28℃/min）。见第 III-F 节。 ●在淬火的过程中，以表面和芯部热电偶的输入温度为基础有等温保持的能力。 ≠高级优质钢是从 NADCA 优质钢修改而来。 B. 装炉 ● 装炉时，工件的摆放应考虑到加热和冷却是均匀性。 ● 必须考虑到工件的几何形状，以确保热处理的均匀性，并防止开裂。 ● 炉子不得过载，以保证达到最低淬火率。 C. 热电偶布置 ● 推荐采用专用的热电偶孔放置表面热电偶（Ts）。依热电偶导线而定，孔的直径通常 为 1/8″到 1/4″(3.175mm 到 6.35mm), 孔深为 0.625″±0.125″(15.87mm±3.175mm)。 ● 表面热电偶（Ts）孔应位于模具后部最大区域的中心位置，其尺寸至少为 1/4T×1/4W ，或在距最近角 1/2 半径处。 ● 利用已有的冷却孔将芯部热电偶（Tc）尽量放置在靠近物块中心处。在不能放置芯 部热电偶的地方，则将热电偶置于模具最厚处物块的中心处，以此来监测温度。 ● 所有热电偶孔均应使用耐火纤维填充，以防治其与淬火剂直接接触。 ● 必须紧固热电偶线，防止其在淬火过程中移动。 ● 如果多个料块以相同负载进行淬火，则应将热电偶放置在横截面积最大的料块中。 D. 预热操作 ● 将工件装入冷炉内，以≤400℉/h（220℃/h）的速率升温，温度由 Tc测定。 ● 将炉温加热至 1000℉至 1250℉（540℃至 675℃）并保持，直到 Ts-Tc＜200℉(90℃). ● 将炉温加热至 1550℉士 50℉（845℃士 10℃）并保持，直到 Ts-Tc＜100℉ (40℃). ● 热处理人员或工具制造者可自行决定是否需要额外预热步骤。 E. 奥氏体化 ● 从最终预热温度快速加热至 1885℉士 10℉(1030℃士 5℃)。 ● 高温保温时间：Ts-Tc＜25℉后，保温 30min；或在 Ts 达到 1885℉（1030℃）后， 最多保温 90min，以先发生的为准。 F. 淬火 ● 按 Ts 测定，尽可能快速淬火至 850℉ (455℃)。 ● 最小淬火率：按 Ts 测定，在 1885℉到 1000℉（1030℃到 540℃）之间，冷却速率 8 为 50℉/min（28℃/min）（换句话说，Ts在 18 分钟以内应达到 1000℉（590℃））。 注意：严格界定如何测定冷却速率对于防止差异出现是非常重要的，对于截面尺寸＞ 12″(300mm)模具来说，不可能所有设备都能达到推荐的淬火速率。 ● 当 Ts在 850℉到 750℉（455℃到 400℃）之间时，可利用分级淬火。 注意：当表面温度（Ts）和芯部温度（Tc）的温差超过 200℉（90℃）时，推荐利用分 级淬火 ● Ts达到中断温度之后，当 Tc-Ts＜200℉(90℃)时或最多 30分钟后，继续进行快速 压缩气体淬火。 ● 持续进行压缩气体淬火，直至 Tc＜300℉ (150℃)。 ● 在回火之前，应将模具放在静止空气中冷却，直到表面温度≤120℉（50℃）。 ● 应立即将模具装炉，进行第一次回火。 G. 回火 ● 精加工之前要求至少进行两次回火。 ● 在回火之间，工件应冷却到室温。 ● 将工件加热到最高回火温度以下 50℉（25℃）或最低温度为 1000℉（565℃），在空 气中冷却进行去应力回火（这项操作至少会产生三轮回火）。 ● 在炉热电偶测定的基础上，进行回火和应力回火的工件，每英寸厚度的至少保温 1h， 最少保温 2h。 H. 二次硬化 如果需要二次硬化，工件需在 1550℉到 1600℉（840℃到 870℃）温度下进行退火，每 英寸保温 1h，以 60℉（33℃）/h 缓冷至 1100℉（540℃），然后随炉冷却。 注意：未经客户同意的情况下不得对模具进行二次硬化操作。 9 NADCA 推荐淬火和回火热处理曲线 Ⅳ热处理质量检验要求： I. 硬度 ● 推荐的硬度范围为 HRC42-50。硬度范围的下限推荐用于开裂严重的模具，而上 限则推荐用于改进了热裂纹抵抗力的模具。 ● 具体硬度范围必须由客户规定，称为 3点范围；例如，HRC 44-46。 ● 在做硬度试验时应遵照最新版 ASTM E10、E18、A956 或 E384标准。 ● 应在客户同意的位置取至少五个硬度读数（四个角落和中心表面）。 ● 如与规定的硬度范围有任何偏差，皆告知客户。 J. 炉图数据 ● 热处理厂应保留依照 III.C 得到的炉图资料的副本，及反映实际载荷的副本至少7 年。 ● 应以一个明了的方式呈现 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的经过热循环处理的工件的炉图数据，包括预热步 骤、奥氏体化以及从淬火温度至 Tc＜300℉(150℃)。 ● 依照 Ts 测量的温度，在 1885℉到 1000℉（1030℃到 540℃）温度范围内，最小 的冷却速率为 50℉/min（28℃/min）。 K. 淬火后微结构 ● 应对代表淬火详情的试件进行微观结构检验。 10 ● 试件采自于：1）淬火工件的转角处或棱边上 2）在整个淬火过程中都附于工件上 的试料块，高级优质钢的试料块详情见 IV-L。 ● 依据 ASTM E3 制备试件，并以 5%的硝酸酒精溶液进行蚀刻（见附件 1）。 ● 试件的淬火显微结构主要组成部分为回火马氏体，其中夹杂一些贝氏体。 ● 应无珠光体、残留奥氏体、脱碳、渗碳或颗粒间的过量沉淀物。 淬火材料的不合格显微结构在 NADCA热处理微结构参考图中显示（见封底内页）。 L. 冲击韧性(仅限于高级优质钢) ● 从高级优质 H13 模具钢（也称为“退火能力”冲击韧性）样本上准备一个厚度约 为 21/2″×31/2″× 1/2″的附体试件，这样 21/2″就代表母料厚度方向，31/2″ 代表母料宽度方向，而 1/2″则代表母料的长度方向。 ● 附体试件应附于每个工件，远离边缘和角落，这样附体试件的 21/2″×31/2″面 就能够与工件紧密接触。如果采用定位焊，则焊点位置应沿 31/2 尺寸方向。 ● 附体试件应伴随工件的整个淬火过程，包括预热、奥氏体化、淬火、首次回火。 ● 首次回火之后将附体试件从模具上移除并单独回火至 HRC44-46 。 ● 试件回火硬度必须达到 HRC44-46 。 ● 从附体试件上，应依照 ASTM A 370 标准对三个尺寸为 l0mm x l0mm 的夏比冲击试 样进行加工、开 V形口、并在室温下进行测试。V形口基面与母料纵轴方向平行。 试样加工至最终尺寸并抛光。见 ASTM A370 标准中夏比 V形口冲击试验最新版本， 图 11a. ■ 相邻边角度应为 90℃±10′ ■ 横截面尺寸精度 ±0.100mm (±0.004in.) ■ 试件长度应为 55±1 mm（2.165±0.040in.） ■ 55×10 mm 面上的表面粗糙度 ≤63 微英寸（1.6 微米）。 ■ 切口最好磨光，不允许 EDM 切口。 ● 验收标准：优质钢的平均值为 8英尺·磅，在硬度为 HRC44-46 之间，单个≥6英 尺·磅。应包含三个单个结果以及平均值。 注意：这些韧性标准来自于从淬火过程中附在工件上的高级优质钢试件，将代表工 件本身的性质。 缺口长度方向与棱边的角度 90°±2° 相邻边之间的角度 90°±10min. 11 截面尺寸精度 ±0.075 mm（±0.003in） 试件长度精度（L） ＋0，－2.5mm（＋0，－0.100 in） 缺口中心（L/2） ±1mm（±0.039in） 缺口角度精度 ±1° 缺口半径精度 ±0.025 mm（±0.001in） 缺口深度精度 ±0.025 mm（±0.001in） 粗糙度要求 缺口表面和反面为 2µm（63µin.） 其它两个表面为 4µm（125µin.） ASTM A370 中图 11a 夏比全尺寸冲击试验试件 12 Ⅴ热处理质量合格证书 依照本技术规范，NADCA（北美压铸协会）优质的及高级优质 H13 模具钢应进行淬火 处理，并由热处理厂家提供的合格证书，该证书包含以下数据及内容： A. 热处理源 B. 项目号 C. 热处理质量分类（1或 2） D. NADCA 钢的等级和类别 E. 材料加热编号 F. 装载量 G. 规定硬度 H. 预热：第一步温度&时间 I. 预热：第二步温度&时间 J. 预热：第三步温度&时间 K. 淬火温度&均温时间 L. 冷却速率 M. 淬火压力 N. 分级淬火：温度&保温时间 O. 1 次回火：温度、均温时间、硬度 P. 2 次回火：温度、均温时间、硬度 Q. 3 次回火：温度、均温时间、硬度 R. 最终硬度 S. *淬硬后的显微结构 T. *淬火冲击韧性； 热处理类别 1需要，并且应包含三个单独结果及平均结果。 *由热处理厂商或测试单位提供测试结果。 13 例子 热处理质量 合格证书 NADCA 钢的等级和类别： 热处理质量类别（1 或 2）： 热处理源： 项目号： 材料加热编号： 材料号： 硬度要求： 每炉装载量： 装炉日期： 最终硬度： 淬硬显微结构： 操作 温度 时间 炉 硬度 退火 内应力消除 预热：第一步 预热：第二步 预热：第三步 最高温度 冷却速率 淬火压力 分级淬火温度 回火：图1 回火：图2 回火：图3 终冷温度 去应力回火 14 具有测试组：YES□ NO□ 冲击韧性：3个单独数值- 英尺·磅 英尺·磅 英尺·磅 平均 英尺·磅 我们证实以上内容真实并准确，且所有温度均经过标准设备核准的获得。 工厂或车间订单号： 批准人： 日期： 15 鸣谢： NADCA 感谢以下个人及单位的技术支持及帮助： 模具材料技术规范任务组 主席：Corwyn Berger Bodycote 材料检测有限公司 Jesse Adamson A.Finkl & Sons 有限公司 Terry Bachmeier ThyssenKrupp Heat Treatment NA Guy J Dorsch Timken Latrobe 钢材 Rudiger Ehrhardt ThyssenKrupp Specialty Stells EWK Edward Flynn GM Powertrain Patricia Miller Bohler UddehoIm NA Ed Severson 坩埚材料公司 模具材料热处理任务组 主席： John Fitzgerald FPM 热处理 Vince Adkar ThyssenKrupp 专业钢铁公司 Mark Baleja 世纪太阳金属加热 Gene Hainault Waukasha 热技术 Mark E. McCormick Paulo 产品有限公司 Iqbal Shahid Bohler Uddeholm 热技术 Craig Zimmerman Bodycote 热加工 16 附录 1： 试样制备指南 冲击试验和金相检验采样时，试料的截取位置很重要，同样检验下试件的截取方向、 排列方向也有很大的影响。所以，试件的制备要遵循以下指南。 冲击性能试验—— 根据第 I.E.节的要求，所有厚度≥2 ″的轧制产品都可以进行冲击性能试验，试2 1 料的尺寸至少为 2 x3 x ，试件采自于母料的中心部位。2 尺寸要与母料厚度2 1 2 1 2 1 2 1 的尺寸平行；3 尺寸要与母料的宽度平行； 尺寸代表母料的长度方向。见图 1a，52 1 2 1 个夏比 V形口试样应从试料的短横轴向截取。见图1b，增加一个或多个金相试样，以对纵 向、短横面上的退火显微结构，显微清洁度及微观带状物进行评级。 图 1a及图 1b 测试材料及夏比冲击试样截取的位置&方向 每个 CVN 试件进行粗加工，其尺寸要大于 1/2″x1/2″x2-1/2″。在加工到最终尺寸 之前，依据第 I.E.节中的程序对试件进行淬火及回火。 根据 ASTM A370 标准中图 11a 加 工到最终的尺寸 10mm x 10mm x 55mm，每个试样的短横轴向上切 V形口，这样，根据上图 1b，V 形口基面与母料的纵轴方向平行。 冲击韧性；热处理质量（只针对高级优质钢）—— 在淬火之前，将高级优质钢的试件附于工件之上，试件的材质应与冲击试验材料材质 17 一致，详见第 IV.L 节。附体试件尺寸约为 2 ”x 3 ”x ”，应从特殊质量 H132 1 2 1 2 1 模具钢的试料中截取，特殊质量即所谓的“退火能力”冲击韧性。这样，尺寸 2 即代表2 1 母料的厚度方向，尺寸 3 ”即代表母料的宽度方向，尺寸 即代表母料的长度方向。2 1 2 1 附体试件应附于远离工件的边缘及角的位置，因此，附体试件的 2 ”x 3 ”的面就2 1 2 1 与工件紧密地贴合在一起。见图 2a&2b。 图 2a 淬火前，试件附于工件表面图片 图 2b 淬火后，在试件上截取 CVN 试样和显微组织试样的位置和取向示意图 淬火及回火完成后（见第 IV.L.节），依照 ASTM A370 标准 图 11a，从试件中截取并加 工 3个尺寸为 10mm x 10mm x 55mm 的 CVN 试样，在短横轴向上切 V形口。如图 1.B，切口 基面平行于试件的厚度方向（即母料的纵轴方向）。 金相检验—— 本技术规范要求进行多种金相检验。对于退火后的试件进行金相检验，可从冲击试验用 18 试料上切取。同一试件可用来评定带状物、微观清洁度及退火结构材料的晶粒度。要求在 单独的试样进行，此试样可以从冲击试验后损坏的试样上切取，也可以按第I.F.节，依照 ASTM E112 标准，利用直接淬火法进行淬火的试件上切取。 检验退火材料时，切取试样的检验表面平行于变形方向的面。更理想的是，从试件的 端面的宽度及厚度的中心处截取，见图 3a 及 3b。 图 3a 图 3b 图 3a & 3b：试件在方料和原料上的截取位置和取向示意图。确定退火材料的显微清洁度、带状偏析、晶 粒度及显微结构。图中的阴影面经抛光及刻蚀，以用于金相检验。 根据标准金相检验程序及 ASTM E3 标准对试样进行安装、镶嵌及抛光。显微清洁度的 检验应依据 ASTM E45 标准中方法 A，在 1-r 板块未经刻蚀的情况下进行。带状偏析的检验 及退火显微结构评定的检验应在已刻蚀的情况下进行。抛光后，试样应立即浸入 5%的硝酸 浸蚀液中约 30 秒以获得合格的显微结构。带状偏析应通过放大 50 倍的金相检验来评估和 评级；退火显微结构应通过放大 500 倍来评估及评级。 对实验室内淬火的试件进行刻蚀，并放大 100 倍后进行晶粒度尺寸的测定，由于典型 的晶粒度特别细，可以再更高的放大倍数下观察，并对照 ASTM E112 标准来评定晶粒度尺 19 寸。 用于淬火显微结构评定的试样应从工业热处理材料试件上截取并必须包含初始的硬 态表面，即淬火后未经磨光或加工。如果工件上没有附体试件，那么，应从特质材料冲击 韧性试验中使用的试件或优质钢材料淬火工件的角或边缘截取的试件中获得试样。 根据标准金相检验程序对试样进行安装、镶嵌及抛光。试样应浸入5%的硝酸浸蚀液 中约 30秒进行蚀刻以获得制作合格的显微结构。见图 4a,b,c,d。 显微结构应在放大 500 倍的条件下进行检验和评级。样品的淬火显微结构主要为马氏 体，并夹杂一些贝氏体，不应有珠光体、残余奥氏体、脱碳、过量的晶间沉淀。 图 4a 图 4b 图 4c 20 图 4d 图 4a，b，c，d试样制备方法及刻蚀对淬火优质 H13钢的显微结构的影响。 图 4a：此图展示已经研磨、抛光及蚀刻适当的 H13 显微结构。 图 4b：为抛光划痕、夹杂物拉出、表面灰尘颗粒和刻蚀瑕疵的示意图，这些特征皆由人工抛光造成 的，因而不足以揭示劣质的热处理。 图 4c：此图展示与图 4a中相同试样在过度刻蚀下的显微结构，过度的刻蚀掩盖了显微结构的关键细 节。造成过度刻蚀的原因为：浸蚀液的浓度选择不当，或浸蚀时间过长。 图 4d：此图展示与图 4a 中相同试样在抛光后刻蚀不足的显微结构。试样在抛光后未经充分刻蚀，导 致显微结构的关键细节很难或不能辨识。导致蚀刻不足的原因为：试样表面发生氧化（抛光后放置时间过 长），或酸浓度太小，浸蚀液配制时间太久。 21 附录 2 钢及热处理质量实用指南 介绍：准备，说明 目的： 本附录给出了适用于模具锻造工具、模压锻造工具、镶嵌件、型芯等 H13 钢的应力消 除、淬火及回火的实践指南。主要目的是在把变形及开裂风险降至最小的同时获得最佳的 冶金性能。 书面说明： 强烈推荐将客户的要求和前期的技术条件中要求逐个列举出来，并以书面的形式交给 热处理者。这种书面说明可以包括或不包括此处所列信息,如有不同之处，以客户的指示为 准。 联络： 客户与热处理厂之间应保持密切联络（比如一些细节：要求的性质、可改变尺寸的范 围等）将有利于帮助热处理厂家以最小的风险取得最佳的成绩。 热处理准备： 准备工具是工具生产者的责任，以使开裂、变形及表面效应发生的危险性降至最低。 22 材料检验许可证，以陈述其符合NADCA（北美压铸协会）#207-2003 标准 □ 供应商等级名称&加热编号 □ 超声波探伤合格证 □ 退火硬度 □ 显微清洁度/夹杂物 □ 带状物/微观偏析等级 □ 化学成分 □ 退火显微结构等级 □ 冲击性能试验结果 □ 晶粒度尺寸 防止应力集中—— 检查： □ 内部尖角 □深的刀痕&钢印 □毛刺 □ 薄弱剖面 □深腔 确保热处理前工具没有开裂： □ 利用染色渗透、超声波探伤、磁性探伤 □ 利用染色渗透、超声波探伤、磁性探伤 □ 如果 EDM 在淬火前使用，则向热处理厂家告知 □ 确保表面没有污垢、铁锈、氧化物、油脂&切削液 □ 如果模具已焊接，在焊缝处标记并向热处理厂家告知。 钢牌号 型号（H13,优质品、高级优质品） 制造厂家及标识 炉号或批号 现况 □ 淬火后退火 □ 淬火&回火 □ 应力消除 □ 退火 表面情况 □ 氮化 （规定类型&深度） □ 其他表面处理（类型&深度） □ 经焊接的 变形&长大允许值 23 □ 工具上留有足够的余量（考察坯料的余量与关键尺寸 W/热处理厂) □ 标识关键尺寸 最终硬度 □ 指定确切范围（对于成品工具，硬度范围是 HRC 42-50，对于尺寸较小工具，取上限） □ 指定工具上的测试位置 复查记录/证明 □ 合格证 □ 温度&时间的炉图（见第 11页） □ 仪器校准记录 要求的试验结果 □ 硬度检查 □淬火速率 □ 冲击试验 □ 模具取样的显微检验 24 热处理指南 说明： 设备： 热处理后测试 � 如果书面说明与这些推荐程序不同，热处理厂家必须与客户联系。 � 炉子的装料尺寸及位置必须与推荐的相符 � 必须避免表面成分的改变，例如，脱碳、氧化等 � 保持温度控制器符合 AMS 2750 标准或最新版本。 � 保留仪器校准记录。 � 根据每个程序，在炉负荷上使用热电偶，可以使用更多热电偶。 � 保留所有如温度、均温时间、冷却速率及硬度等技术细节，并确保其可追 踪性。 1200℉以上良好 1200℉以下良好 硬度测试 额外测试 25 � 必须控制各种条件以降低表面效应的产生，比如脱碳、渗碳或渗氮 � 淬火真空炉的正压承受能力，优质钢至少 2巴、高级优质钢至少 5巴 � 回火/应力消除：允许空气、气氛保护或真空。 � 去应力回火/氧化处理：空气 � 退火：真空或气氛保护 � 温度控制准确是很重要的。 � 每个工具应进行硬度测试并使用洛氏硬度 C标报告。 � 在客户同意的位置上最好提交至少有 5个检测数值（4个角和 1 个 中心 ）。 � 如果怀疑有脱碳等情况，可能会用洛氏表面硬度或显微硬度测试来检查。 � 应客户的要求，在淬火之前，将试件附于模具上以评定显微结构、韧性等 。 这是对高级优质 H13 钢的强制要求。 注：未经客户批准，模具不能进行二次硬化处理。 粗加工后应力消除 在随后的加工或热处理过程中，要进行应力消除处理来降低变形的可能性。 粗加工 � 粗加工操作可能造成较大的残余应力(由于产生的高温，重研磨也可能会 产生硬化的表皮)。 � 如果不消除应力，就会在精加工或在淬火操作的过程中引起变形。 ���� 在粗加工过程中，在所有表面上留下足够余量来在进行应力消除后——即 在最终硬化处理前进行较轻切割去除。 加热温度及均温 加热温度 � 装料入冷炉（＜500℉【260℃】）。在真空炉、电炉或燃气炉中加热至 1050 ℉-1250℉（560℃-675℃）。 26 � 工件支撑稳妥，使加热介质流通顺畅，以利于均匀加热。 � 加热 20min/in，炉温达到操作温度至少保温 0.5h/in 或至少保温 2h。 ���� 可行之处，当工具中心安置一热电偶（如排放口或水道）来指示芯部达到 要求的温度，然后保温至少 2h。 冷却 简单 复杂 简单型：可以取出并空冷，然后炉冷（＜500℉【260℃】）。 复杂型：（例如，截面厚度变化＞3in）炉冷到最高 800℉（430℃），以减少空冷前 应力的形成。 两种情况都在静止的空气中尽可能均匀冷却，以防止应力的再次形成。 退火 热循环 退火是将工件缓慢加热至高温，然后缓冷以使该钢达到其最软的状态。Uoge 淬火不 当的工件或在使用中变软的工件可以采用退火的方法来降低淬火加热过程中产生裂纹的危 险。退火可能要超过 24h 并且伴随有变形、剥落及脱碳的危险。 加热：缓慢加热——最大速率 400℉（220℃）/h以达到 1550℉-1600℉（840℃-870 ℃）的温度。 保温：模具中心的温度是以装在模具芯部的热电偶指示的温度为准，在炉温稳定后每 英寸厚度保温 1h，最少保温 2h。 冷却：缓冷——最大速率 60℉（33℃）/h 缓冷至最高 1100℉（590℃）。然后，炉冷。 27 实际细节 真空炉 气氛保护炉 检查 硬度：最大 HBW235 表面层：如果表面仅有很少或没有材料需加工，则要从工件的拐角处或从附于工件上的试 件上取样进行检验，确认是否有脱碳或者渗氮。 奥氏体化：加热淬硬———————————————————— 必须控制三个方面：升温速率，淬硬温度和均温时间。三个方面都取决于所使用的设 备，工具的几何形状和尺寸以及预期的机械性能。以下信息分为三栏。左一栏是正常最佳 的目标值。中间一栏是更详细的信息，范围和偏差。右栏是技术细节，注意事项等。 气氛控制 说明及注意事项 1100℉（590℃）以上真空度 100μm 支撑力足，以防止松垂。 摆放得当有助于加热均匀。 在 1100℉（590℃）以下，空冷或抽真空或 1 巴的惰性气体 可将电热偶附于工件上 吸热性混合氮气+烃类气体氮+氢气 用露点，CO2 或氧气探头来控制气氛，以达到 0.4%的碳势。表面将出现斑渍。 28 阶梯式加热 � 把工件载入冷炉，以≤400°F/h（200℃/h）的速率加热。 � 加热至1000°F～1250°F（540℃～675℃） � 保温直到 Ts-Tc＜200°F（90℃） � 加热至1550°F±50°F（845℃±25℃） � 保温直到 Ts-Tc＜100°F（38℃），在阶梯式加热保持阶段。 � 可选的预热步骤可由热理人员或工具制造商自行决定。 � 快速加热至1885°F±10°F（1030℃±5℃） � 工具外部受热升温速度快于内部，由于热膨胀和相变引起内应力的产生。 � 目标是达到内外温度尽可能相近的奥氏体化温度。 � 这可通过缓慢加热实现，但更为有效的方法是阶梯式加热，它可以保持 温度恒定，以便消除应力。 � 使用加热循环可降低风险并与现有设备兼容 � 最敏感的温度是当达到“临界点”的1560°F（850℃），接近晶粒生长的 奥氏体化温度。 奥 氏 体 化 1925°F 1900°F （1050℃）（ 1040℃） 高温 ·较好的碳化物可溶性 ·晶粒长大的风险 ·较大的升温阻抗 ·较少的热裂纹 ·较低的冲击韧性 选择奥氏体化温度是一个折衷，高温使碳 化物具有更好的可溶性。合金元素的融入 使得其在使用中具有升温抗性，并降低热 裂纹的产生几率。 1885°F 1875°F （1030℃）（ 1025℃） 正常范围 1850°F 1825°F （1010℃）（ 995℃） 低温 ·较小的升温阻抗 ·较多的热裂纹 ·较高的冲击韧性 ·变形较小 低温使得碳化物和合金的可溶性降低，但 同时降低升温抗性，增加热裂纹的产生几 率。 29 均温时间 以插入式热电偶测定为准，均温时间为：TS –Tc＜25°（15℃）之后 30min，或温度 达到 Ts=1885°F(1030℃)之后，最长90min。过长均温时间增加了塌陷的风险，并可能导 致晶粒长大。更常见的错误是均温时间太短。 奥氏体化：设备，注意事项———————————————————— 在用于实际工具之前，应通过仪表测试确定各个设备的加热、冷却速率，装载能力和 加热均匀性。 工件上附加的热电偶将辅助控制，降低风险并提高效率。 设备 优质钢—— ● 真空炉，有至少 2 巴的回填充能力和一个与并联热电偶相连的程序化的炉控制器 ● 充分的冷却能力，对表面温度为 1885℉（1030℃）的模具进行冷却的最小的速率为 真空炉 特性 注意事项 ·良好的支撑-工件在整个加热和冷却过 程中不会移动 ·通过对流和辐射的方式进行加热 ·熔炉的热质量低。将工件放入冷炉， 进行快速、可控的加热。 ·对氧化和脱碳的良好控制 ·装填方式极其重要。严禁将过大与过小工件混装。 ·必须控制装载量，以保证达到最低的淬火率 ·使用连在工件上的热电偶（Ts 和 Tc）测量实际 的工件温度。 ·50至100μm 的真空度，漏损率低于每小时5μm 汞柱。极低的压力可能导致表面合金元素的损失。 ·奥氏体化温度通常被选定为推荐范围的上限 30 50℉/min（28℃/min）。见第 III-F 节。 ●在淬火的过程中，以表面和芯部热电偶的输入温度为基础有等温保持的能力 高级优质钢—— ●真空炉，有至少 5巴的回填充能力和一个与并联热电偶相连的程序化的炉控制器 ●充分的冷却能力，对表面温度为 1885℉（1030℃）的模具进行冷却的最小的速率为 50℉/min（28℃/min）。见第 III-F 节。 ●在淬火的过程中，以表面和芯部热电偶的输入温度为基础有等温保持的能力 ≠高级优质钢是从 NADCA 优质钢修改而来 淬火：实用技术——————————————————————————— H13具有良好的淬透性，如果控制得当，高压气体淬火即可得到满意的结果。推荐最低 冷却速率为：50℉（28℃）/min。 实用淬火技术介绍如下，但热理人员必须考虑到设备能力以及该工具的尺寸和几何形 状。 淬火：韧性，等温淬火 淬火速率的选择是一个“折衷”；快淬速率提供更好的金相结构，但增加变形和开裂 设备 细节 技术信息 真空炉 最小值2巴（优质钢）、5巴（高 级优质钢）回填充能力和连有 多负荷热电偶的可编程熔炉控 制器 单级 高 压 气 淬 ， 直 到 芯 部 温 度 Tc ＜ 300°F(150℃)-空冷， 直至表面 Ts 低于120°F(50℃) 立即回火 淬火率并非单是淬火压力的 函数（2巴，5巴等） 充分的冷却能力，能以最小 50°F（28 ℃）/min 的速率将 模具表面从1885°F（1030 ℃） 冷却至1000°F（540 ℃） 二级 以 至 少 50°F(28℃)/min 到 800°F±50°F(425℃±28℃)的速率高 压气淬。使 Ts-Tc＜200°F（95 ℃）或 均温至少30min。 继续高压气淬，直到芯部温度 Tc＜ 300°F(150℃)-空冷，直至表面温度 Ts ＜120°F(50℃) 立即回火 淬火速率取决于坯料尺寸，气 体淬火介质，速度和压力，换 热器效率和装炉量 Ts 应在少于 18分钟内达到 1000°F（540 ℃） 有效截面尺寸＞12″（30mm）， 所有设备都不能达到推荐的 淬火率 31 的风险。 等温或分级淬火技术可优化冶金性能，同时减少变形和开裂的风险 淬火率VS结构 图中显示4种淬火速率：1-最快...4-最慢 1. 马氏体结构：理想的结构，淬火速率过快，不切实际。 2. 马氏体+晶界碳化物：小尺寸工件可获得。 3.马氏体+贝氏体+晶界碳化物：中大型工具的实用结构。所示的曲线是最不推荐的， 可通过加压气体淬火实现。 4.珠光体结构，尽管回火硬度可能合适，但降低韧性和热裂抵抗性。 对韧性的影响 上图中曲线2、3、4的冷却速率对韧性的影响如图所示。 32 较快的淬火速率导致韧性的增加。冷却速率是工件的尺寸和设备的淬火能力的函数。 在热处理开始前应确定这种关系。 变形原因 表面冷却速率比芯部快 在马氏体转变温度以上，表面和拐角比芯部收缩的快，从而产生导致尺寸较大的工件 产生形变应力。 在较低温度下，表面转变为马氏体或贝氏体并膨胀。其芯部处于转变温度以上并仍在 收缩。这些区域间产生的应力可能导致工件变形，甚至开裂。 表面和芯部之间的温差越大，变形及裂纹风险就越大。 等温处理 初始的冷却速率必须足够快，以把晶界析出降到最低并抑制珠光体的形成。 33 一旦温度低于1000°F（540℃），珠光体将不会产生。可使工件保持在750°F - 850°F （40℃- 455℃）间一恒定温度，使表面和芯部在进一步淬火前均衡受热。虽然表面仍降温 快，但温差减小，压力也就随之减少。 应该避免长时间等温处理，以把贝氏体的形成降到最低。 回火——实用技术—————————————————————————— 直接淬火后，H13钢硬、脆且高内应力，容易产生自发开裂，必须趁热进行回火。 回火将减小内应力和硬度，但增加使用中的韧性和抗裂性。 选择的最终硬度级别取决于应用，并正常情况下一般范围为 HRC42-50。 这通过严格控制回火温度和时间取得。至少需要两次回火以便得到稳定尺寸和合适的 金相组织。 硬度并非是评定模具的合适标准，模具寿命更多的取决于钢铁的金相组织。 准备： 表面温度冷却至≤120°F（50℃） 选择最终回火硬度范围并计划回火工序 严禁将工具降温至低于90°F（33℃） 远离通风气流，避免快速冷却 在回火-技术部分使用数据以协助制定工序。 若可行，可使用钢铁生产商的资料。 一次回火—强制性的 工件入炉，最高温度为800°F（425℃） 在芯部温度达到1050°F（565℃）温度后至 少保温两个小时。允许60min/英寸进行加热。 空气冷却到室温。 炉子可是真空炉，电炉或燃气炉的，带温度 控制，使精度和均匀度的最大为±10°F（± 5℃）。 某些表面会产生斑渍，但在这些低温下，不 会发生脱碳或其他冶金损害。 工件现安全地冷却到室温，同时应测量 硬度 34 回火：技术原理 回火可消除淬火内应力及改善金相结构。第二个硬度峰值出现在约950°F（510℃）， 这是由于消除了残余奥氏体及形成了复杂的碳化物所致。在较高温度下，硬度下降，韧性 增加。 回火曲线的形状和位置受成分，淬火温度，均温时间和淬火速率的影响。 最终硬度选择 最终的硬度由模具压铸者自行决定。回火温度不低于1000°F（540℃）。低硬度用于较 大型工具，以提供较好的韧性 高硬度（HRC 48）：更强的耐磨性和更好的抗热裂性 低硬度（H