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Difusão a alta temperatura e tratamento ultrafino do aço para moldes H13

Difusão a alta temperatura e tratamento ultrafino do aço para moldes H13

O aço para moldes H13 (4Cr5MoSiV1) é amplamente utilizado no país e no exterior devido à sua alta temperabilidade, capacidade de endurecimento, tenacidade e resistência à fadiga térmica. É usado para fabricar matrizes de extrusão a quente, matrizes de fundição sob pressão de ligas de alumínio, matrizes de forjamento a quente, matrizes de plástico, etc. Atualmente, é o aço para matrizes de trabalho a quente mais utilizado no mundo. Este teste utiliza difusão em alta temperatura e tratamento ultrafino para melhorar o desempenho isotrópico do núcleo do aço para moldes H13, refinando a estrutura, eliminando ou reduzindo carbonetos eutéticos e melhorando a segregação em faixas.

1. Testar materiais

O material de teste é um lingote de aço H13 produzido por fusão em forno de indução sem vácuo (2 t) + refusão por escória eletro-líquida (ESR), com diâmetro na cabeça de 135 mm, diâmetro na cauda de 150 mm e comprimento total de 450 mm. A composição química é mostrada na Tabela 1. Dois lingotes de aço foram selecionados para o teste, dos quais o lingote A foi aquecido a 1160℃ e forjado em Φ70 mm, e então recozido isotermicamente a 880~760℃; o lingote B foi submetido a tratamento de difusão em alta temperatura, e então aquecido a 1160℃ e forjado em uma amostra de Φ70 mm, e então recozido isotermicamente a 880~760℃ após tratamento ultrafino. Como a composição química dos lingotes A e B é basicamente a mesma, a influência nos testes subsequentes e nos resultados dos testes pode ser ignorada.

2. Análise dos resultados dos testes
⒈ Dissolução de carbonetos eutéticos

Durante o processo de fundição do aço para moldes H13, os elementos de carbono e liga são severamente segregados, e carbetos eutéticos aparecem na fase final da solidificação do lingote. Uma vez que os carbetos eutéticos formam grandes blocos e são arranjados em cadeias ou empilhados em cinturões e redes, eles causarão a falha precoce do molde. Portanto, eliminar os carbetos eutéticos é muito importante para a qualidade do aço para moldes H13, o que pode ser melhorado ou eliminado através de tratamento de difusão a alta temperatura e de longa duração.

A análise por microscopia eletrônica de varredura mostra que, no estado recozido do aço H13 para moldes ultrafino por difusão não de alta temperatura, existem principalmente grandes blocos e longas faixas de carbonetos eutéticos ricos em vanádio, que podem ser do tipo M(V)C. A temperatura de dissolução do VC é de 1100-1150℃, que se aglomera e precipita nos contornos de grão, e os carbonetos de molibdênio e cromo estão basicamente dissolvidos. A temperatura de têmpera deste teste é de 1000-1050℃. Para o aço H13 ultrafino por difusão não de alta temperatura, pequenas partículas de VC são parcialmente dissolvidas após a têmpera e o revenimento, enquanto grandes partículas de carbonetos não dissolvidos estão embutidas na matriz. Esses carbonetos não dissolvidos são duros e quebradiços, o que destrói a continuidade da matriz do material e reduz a plasticidade e a tenacidade do aço H13. Para o aço H13 tratado com difusão de alta temperatura e ultrafino, os carbonetos de molibdênio e cromo são completamente dissolvidos e distribuídos uniformemente e finamente na matriz. As pequenas partículas de M(V)C no estado recozido são completamente dissolvidas, os grandes blocos de carbonetos eutéticos M(V)C são parcialmente dissolvidos e finamente dispersos e precipitados nas etapas subsequentes de processamento, o que melhora a plasticidade e a tenacidade do aço H13.

⒉ Análise da estrutura de recozimento do aço para matriz H13

Quando o lingote é resfriado, dendritos se formam ao redor dos cristais primários de alta pureza cristalizados ao longo da linha liquidus. Na interface de solidificação, o aço fundido com componentes elementares concentrados forma segregação dendrítica nos espaços entre os dendritos. Após a forja direta do aço para moldes H13 fundido, a segregação dendrítica se estende para formar segregação em faixas. A segregação em faixas é o principal fator que afeta o valor da tenacidade ao impacto transversal do aço H13. Quanto mais séria a segregação em faixas, menor o valor da tenacidade ao impacto transversal, menor a razão entre a energia de impacto transversal e longitudinal e pior a isotropia. A matriz na área branca é difícil de corroer devido ao alto teor de carbono e elementos de liga, por isso é branca; a área preta tem baixo teor de carbonetos, carbono e elementos de liga, uma estrutura grosseira e é facilmente corroída, formando assim uma faixa de segregação preto e branco, resultando em uma diminuição das propriedades mecânicas, especialmente plasticidade e tenacidade. Embora a segregação em faixas do aço H13 que passou por tratamento de difusão em alta temperatura e tratamento ultrafino não tenha sido completamente eliminada, ela foi significativamente melhorada.

A estrutura recozida é perlita granular obtida por esferoidização de carbonetos, e os carbonetos são distribuídos na ferrita em forma granular. Comparada com a perlita lamelar, a perlita granular tem menor dureza, que é <235HB. O campo de tensões ao redor dela é esfericamente simétrico, o que causa menos danos à matriz. Portanto, a estrutura contendo perlita granular tem melhores propriedades de tração, especialmente plasticidade uniforme, do que a estrutura contendo perlita lamelar. As partículas de perlita do aço H13 que não foi difundido e ultra-refinado em alta temperatura são grosseiras, não uniformes e têm baixas propriedades mecânicas; enquanto a perlita granular do aço H13 que foi tratado com difusão em alta temperatura e ultra-refinamento é uniformemente e finamente distribuída na matriz de ferrita, e tem propriedades mecânicas evidentes.

⒊Análise da Estrutura de Têmpera e Revenimento do Aço para Moldes H13

Pode-se observar a partir da estrutura metalográfica transversal do estado temperado e revenido que a estrutura temperada e revenida do aço H13 não diffusionado em alta temperatura e ultra-fino está distribuída de forma desigual, com carbonetos eutéticos e segregação de componentes; enquanto a estrutura temperada e revenida do aço H13 após difusão em alta temperatura e tratamento ultra-fino é uniforme e fina, os carbonetos eutéticos estão basicamente dissolvidos e a segregação de componentes é significativamente melhorada.

4. Análise de teste de impacto e tração da amostra

A partir dos dados do teste de propriedades de impacto e tração do aço para moldes H13 nos estados de recozimento, têmpera e revenimento, pode-se observar que a energia de impacto transversal do aço H13 não recozido por difusão em alta temperatura e ultrafino é ligeiramente inferior à do aço H13 recozido por difusão em alta temperatura e ultrafino, mas a energia de impacto longitudinal do aço H13 não recozido por difusão em alta temperatura e ultrafino é maior do que a do aço H13 recozido por difusão em alta temperatura e ultrafino, o que pode ser causado por segregação em faixas. A energia de impacto transversal do aço H13 temperado e revenido tratado com difusão em alta temperatura e ultrafino é significativamente maior do que a do aço H13 não tratado com difusão em alta temperatura e ultrafino, e a energia de impacto longitudinal do aço H13 tratado com difusão em alta temperatura e ultrafino é ligeiramente maior do que a do aço H13 não tratado com difusão em alta temperatura e ultrafino. A relação de aspecto da tenacidade ao impacto do núcleo do aço H13 recozido sem difusão em alta temperatura e ultrafino é de apenas 47,69%, enquanto a relação de aspecto da tenacidade ao impacto do núcleo do aço H13 após difusão em alta temperatura e ultrafino é de 65,85%, que é 38,08% maior do que a do aço H13 sem difusão em alta temperatura e ultrafino; a relação de aspecto da tenacidade ao impacto do núcleo do aço H13 temperado e revenido sem difusão em alta temperatura e ultrafino é de apenas 26,90%, enquanto a relação de aspecto da tenacidade ao impacto do núcleo do aço H13 após difusão em alta temperatura e ultrafino é de 55,00%, que é 104,46% maior do que a do aço H13 sem difusão em alta temperatura e ultrafino; pode-se ver que a melhoria da uniformidade da organização e a mudança da morfologia das inclusões após o tratamento de difusão em alta temperatura e ultrafino desempenham um papel fundamental na isotropia do aço H13, especialmente na tenacidade ao impacto lateral. Pelas propriedades de tração do aço H13 nos estados de recozimento, têmpera e revenimento, pode-se observar que o alongamento após a fratura do aço H13 após o tratamento de difusão em alta temperatura e ultrafino pode atingir 28,6%, a taxa de encurtamento da seção transversal pode atingir 67,0%, e o índice de plasticidade é muito pequeno. A razão precisa ser analisada e estudada mais a fundo.

3. Visão geral

Os resultados do teste e da análise mostram que: o aço para moldes H13 (4Cr5MoSiV1) não submetido à difusão em alta temperatura e tratamento ultrafino apresenta grandes carbonetos eutéticos, segregação em faixas severa e baixa tenacidade ao impacto lateral do aço; enquanto no aço H13 que passou por difusão em alta temperatura razoável e tratamento ultrafino, os carbonetos eutéticos de partículas pequenas basicamente desaparecem e os carbonetos eutéticos de partículas grandes são parcialmente dissolvidos; a segregação em faixas e a uniformidade organizacional são significativamente melhoradas, e os carbonetos no aço são pequenos e uniformes; a tenacidade ao impacto lateral do aço é evidente.

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