Ο χάλυβας μήτρας H13 είναι ένας χάλυβας μήτρας θερμής κατεργασίας κατάλληλος για κατασκευή μήτρας σε περιβάλλοντα υψηλής καταπόνησης και υψηλής θερμοκρασίας. Περιέχει υψηλά επίπεδα άνθρακα και βαναδίου, μαζί με κατάλληλες ποσότητες στοιχείων κράματος όπως χρώμιο και μολυβδαίνιο, προσφέροντας εξαιρετική σκληρότητα, αντοχή στη φθορά και αντοχή στη θερμική ρηγμάτωση.

Αυτές οι ιδιότητες το καθιστούν ιδανικό υλικό για την κατασκευή πλαστικών μήτρων, μήτρων χύτευσης με μήτρα από κράμα αλουμινίου, μήτρων θερμής σφράγισης και μήτρων ακριβείας ψυχρής σφράγισης. Ωστόσο, ο χάλυβας μεγάλης διατομής H13 είναι επιρρεπής σε διαχωρισμό και εσωτερικά ελαττώματα, τα οποία θέτουν σε κίνδυνο την ποιότητα και τη διάρκεια ζωής της μήτρας.

Αυτήν την περίοδο, η μεγαλύτερη προδιαγραφή χάλυβα κύβων στην Κίνα είναιΦ650 χιλ.Οι μεγαλύτερες προδιαγραφές απαιτούν εισαγωγές ή σφυρηλάτηση, αυξάνοντας το κόστος παραγωγής και επεκτείνοντας τους κύκλους παραγωγής. Για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης, ο ακριβής έλεγχος της χημικής σύνθεσης του χάλυβα H13 σε συνδυασμό με βελτιστοποιημένες διαδικασίες τήξης, σφυρηλάτησης και θερμικής επεξεργασίας έχει βελτιώσει με επιτυχία την ομοιομορφία της μικροδομής και την εκλέπτυνση των κόκκων, ενισχύοντας έτσι τη συνολική απόδοση του χάλυβα H13 μεγάλης κλίμακας.

Ο σχεδιασμός της σύνθεσης του χάλυβα H13 ακολουθεί τα πρότυπα τουΒορειοαμερικανική Συμμαχία Κέντρων Δεδομένων (NADCA), το οποίο παρέχει ακριβή έλεγχο των στοιχείων κράματος. Η σύγκριση της χημικής σύνθεσης μεταξύ των προτύπων NADCA και του χάλυβα μήτρας H13 που καθορίζεται στοGB/T 1299—2014παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.

Ο σχεδιασμός της χημικής σύνθεσης του χάλυβα μήτρας H13 παρουσιάζεται στον Πίνακα 2. Η περιεκτικότητα σε άνθρακα (C) ορίζεται στο ανώτερο όριο του προτύπου για να επιτευχθεί υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά. η περιεκτικότητα σε χρώμιο (Cr) ευθυγραμμίζεται με το πρότυπο για να εξισορροπήσει τη σκληρυνσιμότητα, την αντοχή στη διάβρωση και την αντοχή στη θερμότητα. η περιεκτικότητα σε μαγγάνιο (Mn) ταιριάζει με το πρότυπο για να ενισχύσει τη σκληρυνσιμότητα και την αντοχή διατηρώντας παράλληλα καλή σκληρότητα. η περιεκτικότητα σε μολυβδαίνιο (Mo) επιλέγεται στο κατώτερο όριο προτύπου για να βελτιώσει μέτρια τη θερμική αντοχή και την ανθεκτικότητα χωρίς υπερβολική αύξηση του κόστους. η περιεκτικότητα σε βανάδιο (V) ορίζεται επίσης στο κατώτερο όριο προτύπου για να βελτιώσει τη δομή των κόκκων, να ενισχύσει την αντοχή και την ανθεκτικότητα του υλικού και να ελέγξει το κόστος. η περιεκτικότητα σε θείο (S) και φώσφορο (P) αυξάνεται για να μειωθεί η ευθραυστότητα και η πλαστικότητα του υλικού. ο αυστηρός έλεγχος των αερίων στοιχείων όπως το άζωτο (N), το υδρογόνο (H) και το οξυγόνο (O) ελαχιστοποιεί το πορώδες και τις εγκλείσεις, εξασφαλίζοντας την καθαρότητα του υλικού και τη σταθερή απόδοση. Μόνο μέσω του ακριβούς ελέγχου της χημικής σύνθεσης του χάλυβα μήτρας H13 μπορεί να παραχθεί χάλυβας μήτρας H13 υψηλής απόδοσης, σταθερός, εξαιρετικά μεγάλου μεγέθους, που να πληροί τις αυστηρές απαιτήσεις της αγοράς υψηλής ποιότητας.

2. Βελτιστοποίηση της Διαδικασίας Παραγωγής

Η διαδικασία κατασκευής του χάλυβα μήτρας H13 περιλαμβάνει αρχική επανάτηξη ηλεκτροσκωρίας, ακολουθούμενη από θερμική σφυρηλάτηση, στη συνέχεια ψυκτική ανόπτηση και, τέλος, χονδρική κατεργασία.

2.1 Βιομηχανική Χύτευση

Ακολουθώντας τη μέθοδο παρασκευής που προτάθηκε από τους Ni Zhuowen et al., κατασκευάστηκε ένα πρωτότυπο χάλυβα μήτρας H13 χρησιμοποιώντας μια διαδικασία παραγωγής που περιελάμβανε προ-τήξη της γόμωσης σκωρίας, έναρξη τόξου, τήξη, επεξεργασία αντιστάθμισης συρρίκνωσης, ψύξη κατά την απενεργοποίηση και αποκαλούπωση. Το καλούπι είχε διάμετρο χωνευτηρίου 480 mm και ονομαστική χωρητικότητα 2 τόνων. Το σύστημα σκωρίας αποτελούνταν από ένα μείγμα τεσσάρων συστατικών που περιείχε 65% φθοριούχο ασβέστιο, 15% αλουμίνα, 15% οξείδιο του ασβεστίου, 5% οξείδιο του μαγνησίου και όχι περισσότερο από 0,8% πυριτία, με ύψος τηγμένης σκωρίας περίπου 155 mm.

2.2 Σφυρηλάτηση με θέρμανση

Η βασική διαδικασία χύτευσης χάλυβα με μήτρα H13 περιλαμβάνει τη χρήση πλαστικής παραμόρφωσης για τον θραυσματοποίηση δενδριτών καρβιδίου εντός του χαλύβδινου πλινθώματος, εξαλείφοντας την αλυσιδωτή τους διάταξη στις ζώνες διαχωρισμού, επιτυγχάνοντας έτσι δομική ισορροπία και ενισχύοντας την πλευρική και διαμήκη αντοχή στην κρούση. Κατά τη διάρκεια του σταδίου θέρμανσης πριν από τη σφυρηλάτηση, πρέπει να διασφαλίζεται ομοιόμορφη θέρμανση της χυτευμένης πλάκας. Συνεπώς, η διάρκεια θέρμανσης και η μέση θερμοκρασία ζώνης θα πρέπει να ελέγχονται αυστηρά εντός 1220–1240 °C. Οποιεσδήποτε επιφανειακές ρωγμές στο σφυρήλατο υλικό πρέπει να απομακρύνονται αμέσως. Χρησιμοποιείται μια τετραβάθμια χονδροειδής κύλιση ακολουθούμενη από διαδικασία κύλισης KD, με λόγο σφυρηλάτησης που υπερβαίνει το 6 για την ενίσχυση της παραμόρφωσης του πυρήνα και την εξασφάλιση της πυκνότητας του υλικού και της ομοιόμορφης μικροδομής. Η τελική θερμοκρασία σφυρηλάτησης πρέπει να διατηρείται αυστηρά σε τουλάχιστον 850 °C για την αποφυγή επιφανειακών ρωγμών, ιδιαίτερα στις άκρες και τις γωνίες. Εφαρμόζεται μια σταδιακή μέθοδος ψύξης για τη μείωση της θερμοκρασίας σφυρηλάτησης σε θερμοκρασία δωματίου, με αυστηρό έλεγχο της διαδικασίας ψύξης για την ελαχιστοποίηση της εσωτερικής τάσης και παραμόρφωσης, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της μήτρας.

2.3 Ανόπτηση και Θερμική Επεξεργασία

Για την προετοιμασία για τις επόμενες διεργασίες θερμικής επεξεργασίας και την πρόληψη της δημιουργίας τάσεων κατά τη σφυρηλάτηση, θα πρέπει πρώτα να εκτελεστεί μια διαδικασία ανόπτησης. Πριν από την σφαιροειδοποίηση, η θερμοκρασία σφυρηλάτησης πρέπει να διατηρείται πάνω από 500°C. Απαιτείται μια ομαλοποίηση και επεξεργασία εξαιρετικά λεπτής κοκκοποίησης πριν από την ανόπτηση, με τη θερμοκρασία διατήρησης να ελέγχεται μεταξύ 1020–1040°C και τον ρυθμό ψύξης να ρυθμίζεται κατάλληλα. Αυτή η διαδικασία στοχεύει στη βελτίωση της δομής των κόκκων, μειώνοντας αποτελεσματικά τον διαχωρισμό και τα δικτυωμένα καρβίδια στο ακατέργαστο τεμάχιο σφυρηλάτησης, εξασφαλίζοντας μια ομοιόμορφη μικροδομή. Κατά την σφαιροειδοποίηση, η θερμοκρασία θα πρέπει να ρυθμιστεί μεταξύ 850–870°C για να διευκολυνθεί η ρύθμιση των καρβιδίων και η βελτίωση της μικροδομής. Χρησιμοποιείται μια σταδιακή προσέγγιση ψύξης και ανόπτησης ελεγχόμενης θερμοκρασίας για την προετοιμασία της τελικής θερμικής επεξεργασίας.

Η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας περιλαμβάνει σβέση και δευτερογενή σκλήρυνση. Αρχικά, το υλικό προθερμαίνεται για 10 λεπτά στους 790°C ± 15°C, στη συνέχεια θερμαίνεται για 10 λεπτά στους 1010°C ± 5°C και ακολουθεί ψύξη με λάδι. Στη συνέχεια, διατηρείται στους 550°C ± 6°C για 2 ώρες πριν υποβληθεί σε δύο κύκλους σκλήρυνσης. Για τα δείγματα χάλυβα που υποβλήθηκαν σε ανόπτηση, ελήφθησαν μετρήσεις σκληρότητας σε πέντε σημεία στον πυρήνα και στην επιφάνεια χρησιμοποιώντας συσκευές σκληρότητας Brinell και Rockwell, με καταγραφή των μέσων τιμών. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 3, μετά την ανόπτηση, τα δείγματα πέτυχαν τιμές σκληρότητας που συμμορφώνονταν τόσο με το εθνικό πρότυπο (≤ 229 HBW) όσο και με το πρότυπο NADCA (≤ 235 HBW), με ελάχιστη διαφορά σκληρότητας μεταξύ των περιοχών της επιφάνειας και του πυρήνα.

2.4 Τραχιά κατεργασία

Μετά την επεξεργασία ανόπτησης, επιθεωρήστε το προϊόν για να βεβαιωθείτε ότι η μικροδομή του παραμένει άθικτη χωρίς ρωγμές ή άλλα ελαττώματα. Στη συνέχεια, εκτελέστε κατεργασία τόρνου χρησιμοποιώντας μεγάλο βάθος κοπής και ρυθμό τροφοδοσίας - συνήθως 3-5 mm σε βάθος κοπής και 0,3-0,5 mm σε ρυθμό τροφοδοσίας (r^-1), με ταχύτητα κοπής 100-150 m/min. Απαιτείται καθαρισμός μετά την κατεργασία και πρόληψη σκουριάς.

3. Ομοιομορφία Οργανισμού

3.1 Ιστός υψηλής μεγέθυνσης

Ένα δείγμα συλλέχθηκε στο κέντρο του χάλυβα καλουπιού και ένα άλλο στο μισό της ακτίνας του. Αυτά τα τρία δείγματα αντιπροσωπεύουν όλες τις κατευθύνσεις σφυρηλάτησης. Τα δείγματα διαβρώθηκαν χρησιμοποιώντας διάλυμα νιτρικού οξέος-αλκοόλης 4%, ακολουθούμενα από 500 αναλύσεις μικροδομής ανόπτησης και 50 δοκιμές διαχωρισμού λωρίδων, με τις επιφάνειες δοκιμής να διατηρούνται παράλληλες προς την κύρια κατεύθυνση παραμόρφωσης. Αυτός ο προσανατολισμός διασφαλίζει ότι τα όρια των κόκκων μετά τη διάβρωση βρίσκονται χαμηλότερα σε σχέση με τα κέντρα των κόκκων, δημιουργώντας αυλακώσεις που ευνοούν την ενδελεχή μικροδομική ανάλυση. Οι δοκιμές διαχωρισμού ανόπτησης κατέδειξαν υψηλή ομοιομορφία μικροδομής, υποδεικνύοντας ότι τα μπιγιέτες χάλυβα καλουπιού υποβλήθηκαν σε αποτελεσματική επανατήξη ηλεκτροσκωρίας, σφυρηλάτηση και θερμική επεξεργασία. Η μικροδομική ανάλυση αποκάλυψε ότι και τα τρία δείγματα εμφάνισαν σφαιροειδείς δομές περλίτη χωρίς ευτηκτικά καρβίδια στη μήτρα, με λεπτά και ομοιόμορφα κατανεμημένα σωματίδια δευτερογενούς καρβιδίου. Λόγω των μεγάλων διαστάσεων των σφυρήλατων, οι ποικίλοι ρυθμοί ψύξης κατά την ψύξη μετά τη σφυρηλάτηση οδήγησαν σε διακριτές μικροδομικές παραλλαγές: οι ταχύτερα ψυχόμενες επιφάνειες σχημάτισαν λιγότερα και λεπτότερα καρβίδια, παρουσιάζοντας χαμηλότερη σφαιροειδοποίηση σε σύγκριση με την περιοχή του πυρήνα.

3.2 Ιστός χαμηλής μεγέθυνσης

Σύμφωνα με τα εθνικά πρότυπα, η μέθοδος χάραξης με ψυχρό οξύ πρέπει να χρησιμοποιείται για την επεξεργασία του χάλυβα θερμής κατεργασίας, ακολουθούμενη από εξέταση μικροδομής χαμηλής μεγέθυνσης. Τα δείγματα βυθίστηκαν σε υδατικό διάλυμα χάραξης 30% υπερθειικού αμμωνίου για περίπου 5 λεπτά, στη συνέχεια ξεπλύθηκαν καλά με νερό και καθαρίστηκαν αμέσως με ιατρική αλκοόλη, πριν υποβληθούν σε μεγεθυντικό φακό και οπτική επιθεώρηση. Δεν παρατηρήθηκαν μεταλλουργικά ελαττώματα όπως ορατή στρωματοποίηση, φυσαλίδες, λευκές κηλίδες ή ρωγμές, ούτε εντοπίστηκαν προβλήματα όπως κεντρικό πορώδες ή διαχωρισμός πλινθωμάτων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Αυτό αποδίδεται στον εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό στερεοποίησης του τηγμένου χάλυβα κατά τη σφυρηλάτηση, ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα λεπτούς δενδρίτες που εξασφαλίζουν ομοιόμορφη μικροδομή, ενώ οι διακυμάνσεις στον προσανατολισμό της ανάπτυξης των κρυστάλλων ελαχιστοποιούν το κεντρικό πορώδες και τον διαχωρισμό. Κατά συνέπεια, ο χάλυβας που υποβάλλεται σε επανατήξη ηλεκτροσκωρίας παρουσιάζει ανώτερη ομοιομορφία και πυκνότητα μικροδομής σε σύγκριση με τα συμβατικά χυτά πλινθώματα.

3.3 Ανάλυση Μεγέθους Κόκκου

Τα δείγματα χάλυβα μήτρας H13 υποβλήθηκαν σε διαβαθμισμένη θερμική επεξεργασία απόσβεσης σε θερμοκρασία 1010 °C. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε δοκιμή διάβρωσης μεγέθους κόκκων για τη διεξαγωγή της διαβάθμισης. Η διαδικασία διαβάθμισης χρησιμοποίησε τεχνικές ανάλυσης εικόνας χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο λογισμικό για την επεξεργασία και ερμηνεία εικόνων που ελήφθησαν από μεταλλογραφικά και ηλεκτρονικά μικροσκόπια, υπολογίζοντας βασικές παραμέτρους όπως η επιφάνεια και η περίμετρος των κόκκων για τον προσδιορισμό του μεγέθους των κόκκων.

Το Σχήμα 2 δείχνει εικόνες που ελήφθησαν με μεταλλογραφικά και ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Οι παρατηρήσεις αποκαλύπτουν ότι τα δείγματα χάλυβα χύτευσης εμφανίζουν κυρίως λεπτούς κόκκους, με έναν μικρό αριθμό μεγαλύτερων κόκκων. Το μέγεθος των κόκκων στις λεπτόκοκκες περιοχές φτάνει τον Βαθμό 8, πληρώντας την ελάχιστη απαίτηση του προτύπου NADCA, Βαθμού 7, για το μέγεθος των κόκκων. Αυτή η βελτίωση προκύπτει από τη διαδικασία επανατήξης ηλεκτροσκωρίας, ακολουθούμενη από σφυρηλάτηση υψηλού λόγου σφυρηλάτησης και θερμική επεξεργασία, η οποία μείωσε σημαντικά το μέγεθος των κόκκων και βελτίωσε πλήρως τις δομές καρβιδίου.

4 Συμπέρασμα

Για την ενίσχυση της μικροδομικής ομοιομορφίας του χάλυβα χύτευσης H13 μετά τη σφυρηλάτηση, βελτιστοποιήθηκε η χημική του σύνθεση και βελτιστοποιήθηκε η διαδικασία κατασκευής. Η διαδικασία σφυρηλάτησης για τα καλούπια H13 σχεδιάστηκε σχολαστικά, χρησιμοποιώντας έναν κλίβανο επανατήξης ηλεκτροσκωρίας για την παραγωγή του χάλυβα χύτευσης, ακολουθούμενη από ανόπτηση και θερμική επεξεργασία. Οι επακόλουθες δοκιμές αποκάλυψαν ότι ο χάλυβας χύτευσης H13 που έχει υποστεί επανατήξη ηλεκτροσκωρίας παρουσιάζει ανώτερη μικροδομική ομοιομορφία και πυκνότητα σε σύγκριση με τα συμβατικά πλινθώματα χυτού χάλυβα χύτευσης, με σημαντικές βελτιώσεις που παρατηρήθηκαν στη μικροδομή σε χαμηλή μεγέθυνση.