论文总字数：23287字

摘 要

H13热作模具钢在汽车行业中有广泛应用，采用传统铸锻方法生产的钢材无法满足市场需求。本文研究了用真空热压将惰性气体雾化的H13钢预合金粉末固结成块体钢的工艺。合金粉末在1200℃热压下成形的块体钢致密度可达98.97%。将真空热压法和铸锻法制备的材料进行相同的淬火和回火处理，观察其显微组织并进行力学性能测试，结果表明热压钢显微组织细小，碳化物分布均匀，残余奥氏体含量少。二者硬度分别为46.0 ±0.5HRC和45.6 ±0.5HRC，三点弯曲强度分别为3510±186MPa和3142±181Mpa。热压钢的硬度与铸锻钢相比变化不大，但三点弯曲强度有显著提升，主要原因是回火过程中析出碳化物较细小。实验结果验表明真空热压工艺能在保持钢材硬度较高的同时大幅提高其韧性，这将能有效减少模具在载荷冲击下的断裂失效，延长其使用寿命。

关键词： H13钢；粉末冶金；真空热压；热处理工艺；组织与性能

Abstract

H13 steel is widely used in the automobile industry. The conventional wrought H13 steel cannot meet the demand of market. In this paper, H13 steel produced by vacuum hot pressing of gas-atomised prealloyed powders has been investigated. The density of the bulk produced by vacuum hot pressing at 1200 ℃ reached 98.97%. After quenching and tempering under the same processing parameters, microstructure and mechanical properties of vacuum hot-pressed H13 steel and wrought H13 steel were studied. The experimental results reveal more refined microstructure, more homogenous carbides and lower volume fraction of residual austenite in the vacuum hot pressed H13 steel than those in the wrought H13. The hardness of the two types of H13 steel are 46.0 ± 0.5HRC and 45.6 ± 0.5HRC, and the three-point bending strength are 3510 ± 186MPa and 3142 ± 181Mpa, respectively. Compared with the wrought H13 steel, the hardness of vacuum hot-pressed H13 steel does not change dramatically, but the three-point bending strength is significantly improved, the latter being attributed to smaller carbides in the vacuum hot-pressed H13. The results show that the vacuum hot pressing can significantly improve the toughness of the H13 steel while retaining the equivalent hardness, which would effectively reduce the tendency of fracture of the molds subjected to impulsive loading and thus improve the service life of the molds.

Key Words：H13 steel；powder metallurgy；vacuum hot pressing；heat treatment；microstructure and mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1 模具概述 1

1.1.2 热作模具钢概述 1

1.1.3 H13钢研究现状 3

1.2 国内外研究现状 5

1.2.1激光熔覆技术 5

1.2.2选区激光熔化 5

1.2.3粉末冶金方法 6

1.2.4 真空热压烧结 7

1.3 研究目的及意义 8

1.4 课题研究内容与预期目标 8

1.5 课题研究对社会、安全、健康、成本以及环境等的影响 8

第2章 实验材料及研究方法 10

2.1 实验方案设计 10

2.2 实验材料及试样制备 11

2.2.1 原料粉末 11

2.2.2 固结块体钢的制备 11

2.2.3 热处理工艺 11

2.3 材料测试与表征 12

2.3.1 预混合金粉末化学分析 12

2.3.2 块体钢密度测试 12

2.3.3 金相组织观察 12

2.3.4 扫描电镜观察 13

2.3.5 显微硬度测试 13

2.3.6 三点弯曲强度实验 13

第3章 真空热压H13模具钢工艺 14

3.1 H13块体钢钢的密度 14

3.2 H13块体钢的显微组织 14

3.3本章小结 15

第4章 热处理后H13钢显微组织与力学性能分析 16

4.1 热处理后块体钢显微组织 16

4.1.1金相组织 16

4.1.2 组织中碳化物分析 17

4.2 热处理后块体钢力学性能 19

4.2.1 H13块体钢的硬度 19

4.2.2 回火态块体钢三点弯曲强度 20

4.3 本章小结 20

第5章 结论 21

参考文献 22

致谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 模具概述

作为一种对金属材料进行塑性变形的重要工具，模具在制造业中具有极其广泛和重要的应用，特别是在汽车制造、电子器件、医疗器材等领域^[1]。使用模具能快速、大批量生产相关零部件，极大程度上提高生产效率，且产品一致性高、耗能低、质量情况好。工业产品质量提高必须以模具技术提高为基础，因此模具制造水平也反映出国家制造业水平的高低。

我国模具行业近三十年来不断发展壮大，产量保持高速增长，到2017年我国模具行业总产值已达到2509.94亿元，目前国内相关企业数量超过3万，模具设计和生产人数已达百万，显示出巨大的发展潜力和良好的发展前景^[2]。与此同时，国内外市场对模具的质量和使用寿命要求不断提高，然而我国的模具水平无法与国际先进水平相相匹敌，只能大量生产中、低档模具，设计精密、使用寿命长的模具几乎完全依赖于进口。

以汽车行业为例，参考中汽协会数据可知，2018年我国汽车产销量在2800万辆左右，位列全球第一，而制造生产一辆普通汽车平均需要1300套左右模具^[3]，然而我国进口模具接近20亿美元，主要从日本、德国等车用模具水平先进的国家进口。汽车的外观、质量和驾驶安全性基本取决于模具的质量水平，但我国现有模具企业难以生产出传动系统、转向系统所需的精锻模、发动机所需的压铸模以及车身关键零部件^[4]，致使国产汽车的成本竞争力不敌其他国家，难以在汽车行业中占据更大的市场份额。

此外，在电子信息、轨道交通、医疗器械等行业，模具同样具有极大的发展潜力和消费市场。模具作为产品零部件技术、装备支撑将在制造业中起到至关重要的核心作用，未来模具行业发展机遇与挑战并存，要把握方向，坚持创新，不断提高模具质量水平，努力将我国建设为制造业强国^[5]。

1.1.2 热作模具钢概述

热作模具钢是一类特殊的工模具钢，主要用于制作对金属进行热变形加工的模具，其工作特点是在一定载荷作用下使热的固态金属或高温液态金属压铸成所需形状^[6]。热作模具钢在服役过程中需不断承受升温、冷却的温度变化，以及外加冲击载荷作用，工作条件非常苛刻，因此要求模具钢材料必须具备高抗热塑性变形能力、高的硬度和韧性以及良好的抗热疲劳能力。热作模具钢一般为中碳钢（碳含量百分之四左右），此外还加入铬、锰、钨、硅、钼、钒等合金元素，使C曲线左移，以提高钢材的淬透性。根据其工作条件不同，可分为以下三大类：

（1）热锤锻模具钢：型腔表层温度可达500℃，且承受冲击力较大，需高温回火以提高强度和耐磨性；要有良好的高温耐磨性以抵抗强烈摩擦磨损；往往用于中大型模具，要求材料淬透性、导热性好。常用材料有5CrNiMo和5CrMnMo，其工艺特点是锻模模面和模尾硬度不同，锻模模尾较低。

（2）热挤压模具钢：模具需长期与被挤压加工变形的金属接触，其在工作时所承受温度更高，应力和摩擦力更大，尺寸更小。热挤压模材料比热锤锻模要求更高的热稳定性和耐热疲劳性，能在高温工作时亦保持高硬度和良好耐磨性。根据合金元素可分为三类，铬系（4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1）抗氧化性好，钨系（3Cr2W8V钢）使用最多，钼系（25CrMo3VNb）使用寿命长。

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