Thép H13 có khả năng tôi cứng cao, chịu mài mòn và chịu nhiệt tuyệt vời, duy trì độ cứng và độ bền tương đối cao dưới 600°C, cùng với khả năng chống mỏi nguội và nóng vượt trội và độ ổn định khi tôi luyện tốt. Nó được sử dụng rộng rãi trong khuôn đúc áp lực cho nhôm, đồng và hợp kim của chúng, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Tuy nhiên, các mô-đun H13 do công ty sản xuất lại xuất hiện hiện tượng nứt bề mặt, quá trình cầu hóa không hoàn chỉnh và cấu trúc vi mô không đồng đều trong quá trình sản xuất thử nghiệm. Bài báo này giới thiệu quy trình chuẩn hóa ở nhiệt độ cao tiếp theo là ủ cầu hóa để cải thiện chất lượng mô-đun và đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất.

1. Các vấn đề đã được xác định trong quá trình phát triển nguyên mẫu.

Mẫu thử nghiệm được chế tạo từ thép H13 với kích thước 400 mm × 1000 mm × 3000 mm, và nhiệt độ rèn cuối cùng khoảng 950°C. Do không xử lý nhiệt sau rèn kịp thời, vết nứt bề mặt xuất hiện sau khi làm nguội bằng không khí đến nhiệt độ phòng, lan rộng vào bên trong mô-đun. Phân tích cho thấy thép H13 là loại thép có thể tôi cứng, nghĩa là cấu trúc mactenxit của nó hình thành trong quá trình làm nguội bằng không khí. Ứng suất vi mô lớn sinh ra trong quá trình làm nguội bằng không khí sau rèn đã dẫn đến nứt bề mặt của mô-đun.

Để ngăn ngừa nứt vỡ, các mô-đun thép H13 được làm nguội chậm trực tiếp trong lò sau khi rèn, tiếp theo là ủ cầu hóa. Sau khi ủ cầu hóa, độ cứng của mô-đun được đo bằng máy đo độ cứng Brinell; ba mẫu được thử nghiệm, với các phép đo độ cứng được thực hiện tại tám điểm trên mỗi mẫu (xem Bảng 1). Như thể hiện trong Bảng 1, độ cứng nhìn chung đáp ứng các yêu cầu, nhưng tính đồng nhất không đạt yêu cầu do sự biến đổi độ cứng đáng kể, với một số điểm vượt quá giới hạn quy định (≤220 HB). Phân tích cấu trúc vi mô của các mô-đun cho thấy cấu trúc vi mô như minh họa trong Hình 1.

Hình 1 thể hiện cấu trúc vi mô sau quá trình ủ cầu hóa đẳng nhiệt, với quá trình cầu hóa bao gồm giai đoạn nhiệt độ cao ở 870°C trong 8 giờ và giai đoạn nhiệt độ thấp ở 730°C trong 14 giờ. Trong Hình 1(a), sự phân bố mạng lưới cacbua nghiêm trọng và sự trộn lẫn hạt đáng kể được thể hiện rõ. Hình 1(b) cho thấy nhiều hạt cacbua phân tán, cho thấy hiệu quả cầu hóa đạt được mục tiêu đề ra; tuy nhiên, sự phân bố không đồng đều vẫn còn rõ rệt, với một số cacbua tạo thành mạng lưới phân bố làm giảm hiệu quả cầu hóa ở những vùng đó. Các cacbua dạng mạng lưới gây ra rủi ro nghiêm trọng cho thép khuôn, vì chúng dễ dàng trở thành nguồn gây nứt trong quá trình sử dụng, dẫn đến hư hỏng vật liệu. Do đó, các mạng lưới cacbua như vậy phải được kiểm soát trong giới hạn cho phép. Nghiên cứu này đã tiến hành xử lý mẫu thép H13 ở nhiệt độ cao sau đó là ủ cầu hóa đẳng nhiệt để đánh giá sự cải thiện cấu trúc vi mô của nó trong các điều kiện này, đối với mẫu thép có sự phân bố cacbua nghiêm trọng.

2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

Các mẫu nhỏ được lấy từ các mô-đun thể hiện sự phân tách nghiêm trọng để phân tích quang phổ; thành phần hóa học của chúng được thể hiện trong Bảng 2. Thành phần hóa học của thép H13 này tuân thủ tiêu chuẩn GB/T 1299–2000 "Thép hợp kim dụng cụ". Các mô-đun được chia thành ba nhóm và được xử lý nhiệt độ cao ở 970 °C, với thời gian giữ lần lượt là 5, 7 và 10 giờ. Quá trình xử lý nhiệt bao gồm xử lý nhiệt độ cao (làm nguội bằng không khí) tiếp theo là ủ cầu hóa đẳng nhiệt. Các thông số ủ cầu hóa đẳng nhiệt là: giai đoạn nhiệt độ cao ở 870 °C trong 8 giờ và giai đoạn nhiệt độ thấp ở 730 °C trong 14 giờ. Dựa trên ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt độ cao đến cấu trúc vi mô của các mô-đun, một quy trình xử lý nhiệt mới đã được phát triển.

Sau 5 giờ chuẩn hóa ở nhiệt độ cao, mức độ phân tách (xem Hình 2(a)) cho thấy sự cải thiện đáng kể so với Hình 1, mặc dù sự phân tách vẫn còn tồn tại. Khi thời gian giữ chuẩn hóa được kéo dài đến 7 giờ, sự phân tách hầu như được loại bỏ; tuy nhiên, mạng lưới cacbua vẫn tương đối rõ rệt, với các mạng lưới cacbua thứ cấp mịn hòa tan hoàn toàn vào ma trận trong quá trình austenit hóa, trong khi các mạng lưới cacbua thô vẫn không hòa tan - rơi vào loại không đạt tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Đúc khuôn Bắc Mỹ. Kéo dài thời gian giữ đến 10 giờ đã loại bỏ hầu hết các mạng lưới cacbua, chỉ còn lại các mạng lưới cacbua thô ban đầu. Quá trình ủ cầu hóa tiếp theo tạo ra cấu trúc vi mô cầu hóa đồng nhất hơn, giúp vật liệu đạt cấp AS4 theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Đúc khuôn Bắc Mỹ và đáp ứng các tiêu chí chấp nhận. Phân tích cho thấy rằng chuẩn hóa ở nhiệt độ cao loại bỏ hiệu quả sự phân tách và cải thiện hình thái và sự phân bố của mạng lưới cacbua. Khi thời gian giữ tăng lên, các hạt cacbua dần dần hòa tan, dẫn đến việc loại bỏ dần sự phân tách và mạng lưới cacbua, do đó cải thiện đáng kể cấu trúc vi mô của vật liệu.

Sau khi rèn, thép H13 dễ bị hình thành hạt thô do nhiệt độ rèn cuối cùng quá cao và tốc độ làm nguội chậm. Là một loại thép siêu eutectoid, H13 thể hiện sự kết tủa cacbua thứ cấp dạng mạng lưới trong quá trình làm nguội chậm, và hàm lượng hợp kim cao của nó chắc chắn dẫn đến sự phân tách vật liệu. Để cải thiện cấu trúc vi mô sau khi rèn của các mô-đun thép H13, nên thực hiện xử lý chuẩn hóa ở nhiệt độ cao để đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất.

Để loại bỏ các cacbua dạng lưới, phôi phải được nung nóng đến nhiệt độ đủ để hòa tan các cacbua thứ cấp. Tuy nhiên, nhiệt độ ủ cầu hóa (870 °C) không đủ để đạt được sự hòa tan này. Do đó, nếu không ủ ở nhiệt độ cao, mạng lưới cacbua vẫn khó loại bỏ và sự phân bố không đồng đều không được cải thiện, dẫn đến mô đun H13 không đạt tiêu chuẩn. Sau khi ủ ở nhiệt độ cao, các hạt cacbua mịn được hòa tan hoàn toàn vào ma trận, mạng lưới cacbua dần được tinh chế cho đến khi bị đứt gãy, và cấu trúc vi mô trở nên đồng nhất hơn. Sau giai đoạn giữ nhiệt độ ủ, làm nguội nhanh bằng không khí ngăn ngừa sự hình thành các cacbua thứ cấp dạng lưới. Tiếp theo, quá trình ủ cầu hóa thúc đẩy sự phát triển của các cacbua phân tán đồng đều từ ma trận thành các cấu trúc hình cầu, do đó tăng cường cấu trúc vi mô sau khi ủ.

Tóm lại, làm nguội chậm sau khi rèn dẫn đến cấu trúc vi mô thô và sự hình thành các cacbua dạng mạng lưới, trong khi chuẩn hóa ở nhiệt độ cao cải thiện cả các cacbua dạng mạng lưới và sự phân tách vật liệu. Do đó, cấu trúc vi mô sau khi ủ có thể được tối ưu hóa thông qua hai phương pháp: làm nguội nhanh thích hợp sau khi rèn, tiếp theo là chuẩn hóa ở nhiệt độ cao và ủ cầu hóa cuối cùng. Dựa trên phân tích các ví dụ này, quy trình tối ưu đã được thiết lập như thể hiện trong Hình 3. Sau khi rèn, vật liệu được làm nguội bằng không khí và giữ ở nhiệt độ trên điểm Ms trong một khoảng thời gian để ngăn chặn sự biến đổi mactenxit, tiếp theo là chuẩn hóa ở nhiệt độ cao và ủ cầu hóa đẳng nhiệt. Hình 4 minh họa cấu trúc vi mô thu được theo quy trình mới này, cho thấy sự cầu hóa rất đáng kể với tỷ lệ cầu hóa vượt quá 95% và kích thước hạt xấp xỉ cấp 7. Được phân loại là AS1 theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Đúc khuôn Bắc Mỹ, sản phẩm đã nhận được phản hồi tích cực từ khách hàng.

4. Kết luận

1) Quá trình làm nguội chậm sau khi rèn thép H13 dẫn đến sự hình thành mạng lưới kết tủa cacbua. Tốc độ làm nguội càng chậm, mạng lưới cacbua càng rõ rệt. Mặc dù quá trình chuẩn hóa tiếp theo có thể cải thiện điều này, nhưng một số cấu trúc vi mô bất thường vẫn tồn tại trong nền thép và rất khó loại bỏ. Ngoài ra, làm nguội chậm dẫn đến kích thước hạt lớn bất thường, có tính di truyền và khó tinh luyện lại sau này.

2) Quá trình chuẩn hóa ở nhiệt độ cao cải thiện sự phân bố không đồng đều và các cacbua dạng mạng lưới có trong cấu trúc vi mô sau khi rèn của thép H13. Trong một khoảng thời gian nhất định, sự cải thiện cấu trúc vi mô càng rõ rệt hơn khi thời gian giữ nhiệt trong quá trình chuẩn hóa tăng lên.

3) Sau khi rèn, thép H13 được làm nguội bằng không khí ở nhiệt độ trên Ms và sau đó được tôi luyện ở nhiệt độ cao, tạo ra cấu trúc cầu hóa đồng đều và phân tán hơn với hiệu quả cầu hóa vượt trội.