热作模具是在高温下加压、强迫金属在型腔中流动成型的工具。为适应热作模具恶劣的工作环境,提高使用寿命,要求优质的热作模具钢应具有高的强度、良好的回火稳定性、高的韧性和塑性、抗氧化性及优良的耐热疲劳性能。金属压铸时熔融金属高速喷射,和型腔不断接触,冲蚀严重,升温极快,模具往往因冷热疲劳和冲蚀而损坏,这主要是由于加热与冷却循环造成的拉应力和塑性应变引起的,在模具表面逐步形成了细小的网状裂纹。因此,热疲劳是模具材料的主要失效形式之一。
作为限制材料使用寿命的主要性能指标,热疲劳的影响因素较多,强度与塑性对材料热疲劳性能的影响众说纷纭,不同的实验得出不同的结论,
H13和3Cr2W8V是目前应用最为广泛的热作模具钢,H13以其良好的综合力学性能而被大力推广,3Cr2W8V是传统的高热强性热作模具钢,针对德国牌号1·2367钢的研究目前不多,其合金成分在H13钢的基础上增加了钼的含量,本文主要利用自约束热疲劳试验方法[6],对比研究这三种材料的热疲劳性能,并分析其热疲劳抗力。
1·1 热疲劳试验
从20mm棒料上取热疲劳试样,试样尺寸如文献[10],经过热处理后(热处理工艺如表2所示),将试样表面进行抛光,使其观察面达到镜面,然后置于自约束热疲劳试验设备[1,6,8]中。将试样在室温~700℃的范围内进行热疲劳试验,试验循环次数为3000次。利用体视显微镜观察试样表面的裂纹,并将试样沿其均热区中部剖开,观察热疲劳裂纹深度,同时测量显微硬度梯度,并借助计算机辅助平台计算钢的热疲劳表面损伤因子(Ds)和截面损伤因子(Dd)[6,9],这两个损伤因子比较客观的反映了试样的裂纹扩展情况,材料的损伤因子D=Ds×Dd,D值越大表示热疲劳损伤程度越大。
1·2 高温抗压试验
本试验在Gleeble-3500热模拟试验机上进行,试验温度为650℃,试样尺寸为8mm×13mm。试验参数:加热速度为5℃/s,保温5min,以1mm/s的速率进行抗压试验,比较材料在高温下的抗压性能。
1·3 冲击韧性试验
在60mm×60mm方料上取横向冲击试样,试样尺寸采用美国压铸协会标准(NADCA 207-2003),采用7mm×10mm×55mm无缺口试样,试验在JB-30B冲击试验机上进行,热处理工艺如表2所示。
