Thép khuôn H13 là loại thép khuôn chịu nhiệt cao, thích hợp cho việc chế tạo khuôn trong môi trường ứng suất và nhiệt độ cao. Nó chứa hàm lượng cacbon và vanadi cao, cùng với lượng thích hợp các nguyên tố hợp kim như crom và molypden, mang lại khả năng tôi cứng, chống mài mòn và chống nứt do nhiệt tuyệt vời.

Những đặc tính này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng để sản xuất khuôn nhựa, khuôn đúc hợp kim nhôm, khuôn dập nóng và khuôn dập nguội chính xác. Tuy nhiên, thép khuôn H13 tiết diện lớn dễ bị phân tách và có khuyết tật bên trong, làm ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn.

Hiện nay, loại thép làm khuôn có thông số kỹ thuật lớn nhất tại Trung Quốc là...Φ650 mmCác sản phẩm có thông số kỹ thuật lớn hơn đòi hỏi phải nhập khẩu hoặc gia công rèn, làm tăng chi phí sản xuất và kéo dài chu kỳ sản xuất. Để giải quyết thách thức này, việc kiểm soát chính xác thành phần hóa học của thép khuôn H13 kết hợp với các quy trình nấu chảy, rèn và xử lý nhiệt được tối ưu hóa đã cải thiện thành công tính đồng nhất về cấu trúc vi mô và độ mịn hạt, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của thép khuôn H13 sản xuất quy mô lớn.

Thiết kế thành phần của thép khuôn H13 tuân theo các tiêu chuẩn của...Liên minh Trung tâm Dữ liệu Bắc Mỹ (NADCA)Điều này giúp kiểm soát chính xác các nguyên tố hợp kim. So sánh thành phần hóa học giữa tiêu chuẩn NADCA và thép khuôn H13 được quy định trongGB/T 1299—2014được trình bày trong Bảng 1.

Thành phần hóa học của thép khuôn H13 được trình bày trong Bảng 2. Hàm lượng cacbon (C) được đặt ở giới hạn trên của tiêu chuẩn để đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn cao; hàm lượng crom (Cr) phù hợp với tiêu chuẩn để cân bằng khả năng tôi cứng, chống ăn mòn và chịu nhiệt; hàm lượng mangan (Mn) phù hợp với tiêu chuẩn để tăng cường khả năng tôi cứng và độ bền trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tốt; hàm lượng molypden (Mo) được chọn ở giới hạn dưới của tiêu chuẩn để cải thiện vừa phải độ bền nhiệt và độ dẻo dai mà không làm tăng chi phí quá mức; hàm lượng vanadi (V) cũng được đặt ở giới hạn dưới của tiêu chuẩn để tinh chỉnh cấu trúc hạt, tăng cường độ bền và độ dẻo dai của vật liệu, và kiểm soát chi phí; hàm lượng lưu huỳnh (S) và phốt pho (P) được tăng lên để giảm độ giòn và độ dẻo của vật liệu; kiểm soát chặt chẽ các nguyên tố khí như nitơ (N), hydro (H) và oxy (O) giúp giảm thiểu độ xốp và tạp chất, đảm bảo độ tinh khiết của vật liệu và hiệu suất ổn định. Chỉ bằng cách kiểm soát chính xác thành phần hóa học của thép khuôn H13, người ta mới có thể sản xuất được thép khuôn H13 kích thước siêu lớn hiệu suất cao, ổn định, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị trường cao cấp.

2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất thép khuôn H13 bao gồm giai đoạn nấu chảy điện xỉ ban đầu, tiếp theo là rèn nung, sau đó là ủ nguội và cuối cùng là gia công thô.

2.1 Luyện kim công nghiệp

Theo phương pháp chuẩn bị do Ni Zhuowen và cộng sự đề xuất, một nguyên mẫu thép khuôn H13 đã được chế tạo bằng quy trình sản xuất bao gồm nấu chảy trước hỗn hợp xỉ, khởi tạo hồ quang, nấu chảy, xử lý bù co ngót, làm nguội sau khi tắt nguồn và tháo khuôn. Khuôn có đường kính nồi nấu 480 mm và dung tích danh nghĩa 2 tấn. Hệ thống xỉ bao gồm hỗn hợp bốn thành phần chứa 65% canxi florua, 15% alumina, 15% canxi oxit, 5% magie oxit và không quá 0,8% silica, với chiều cao xỉ nóng chảy khoảng 155 mm.

2.2 Rèn nung

Quy trình cốt lõi của việc đúc thép khuôn H13 bao gồm việc sử dụng biến dạng dẻo để phân mảnh các nhánh cacbua trong phôi thép, loại bỏ sự sắp xếp dạng chuỗi của chúng trong các vùng phân tách, nhờ đó đạt được sự cân bằng cấu trúc và tăng cường khả năng chống va đập theo phương ngang và phương dọc. Trong giai đoạn nung nóng trước khi rèn, phải đảm bảo nung nóng đều phôi đúc; do đó, thời gian nung nóng và nhiệt độ trung bình của vùng phải được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng 1220–1240 °C. Bất kỳ vết nứt nào trên bề mặt sản phẩm rèn phải được loại bỏ ngay lập tức. Quy trình kéo thô bốn giai đoạn tiếp theo là kéo KD được sử dụng, với tỷ lệ rèn vượt quá 6 để tăng cường biến dạng lõi và đảm bảo mật độ vật liệu và cấu trúc vi mô đồng nhất. Nhiệt độ rèn cuối cùng phải được duy trì nghiêm ngặt ở mức không thấp hơn 850 °C để ngăn ngừa nứt bề mặt, đặc biệt là ở các cạnh và góc. Phương pháp làm nguội từng bước được áp dụng để giảm nhiệt độ rèn xuống nhiệt độ phòng, với sự kiểm soát chặt chẽ quá trình làm nguội để giảm thiểu ứng suất và biến dạng bên trong, từ đó kéo dài tuổi thọ của khuôn.

2.3 Ủ và xử lý nhiệt

Để chuẩn bị cho các quá trình xử lý nhiệt tiếp theo và ngăn ngừa sự phát sinh ứng suất trong quá trình rèn, cần thực hiện quy trình ủ trước. Trước khi ủ cầu hóa, nhiệt độ rèn phải được duy trì trên 500°C. Cần thực hiện xử lý chuẩn hóa và tạo hạt siêu mịn trước khi ủ, với nhiệt độ giữ được kiểm soát trong khoảng 1020–1040°C và tốc độ làm nguội được điều chỉnh phù hợp. Quá trình này nhằm mục đích tinh chỉnh cấu trúc hạt đồng thời giảm thiểu hiệu quả sự phân tách và các cacbua liên kết trong phôi rèn, đảm bảo cấu trúc vi mô đồng nhất. Trong quá trình ủ cầu hóa, nhiệt độ nên được đặt trong khoảng 850–870°C để tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh cacbua và tinh chỉnh cấu trúc vi mô. Phương pháp làm nguội từng bước và ủ được kiểm soát nhiệt độ được sử dụng để chuẩn bị cho quá trình xử lý nhiệt cuối cùng.

Quá trình xử lý nhiệt bao gồm tôi và ram thứ cấp. Đầu tiên, vật liệu được nung nóng sơ bộ trong 10 phút ở 790°C ± 15°C, sau đó nung nóng trong 10 phút ở 1010°C ± 5°C, tiếp theo là làm nguội bằng dầu. Sau đó, vật liệu được giữ ở 550°C ± 6°C trong 2 giờ trước khi trải qua hai chu kỳ ram. Đối với các mẫu thép khuôn đã ủ, phép đo độ cứng được thực hiện tại năm điểm trên lõi và năm điểm trên bề mặt bằng máy đo độ cứng Brinell và Rockwell, với các giá trị trung bình được ghi lại; kết quả được trình bày trong Bảng 3. Như thể hiện trong Bảng 3, sau khi ủ, các mẫu đạt được giá trị độ cứng đáp ứng cả tiêu chuẩn quốc gia (≤ 229 HBW) và tiêu chuẩn NADCA (≤ 235 HBW), với sự khác biệt về độ cứng tối thiểu giữa vùng bề mặt và vùng lõi.

2.4 Xử lý gia công thô

Sau khi xử lý ủ nhiệt, kiểm tra sản phẩm để đảm bảo cấu trúc vi mô vẫn còn nguyên vẹn, không có vết nứt hoặc các khuyết tật khác. Tiếp theo, tiến hành gia công tiện với chiều sâu cắt và tốc độ tiến dao lớn—thường là 3–5 mm chiều sâu cắt và 0,3–0,5 mm tốc độ tiến dao (r^-1), với tốc độ cắt 100–150 m/phút. Cần làm sạch và chống gỉ sau gia công.

3. Tính đồng nhất trong tổ chức

3.1 Mô phóng đại cao

Một mẫu được lấy tại tâm của thép khuôn và một mẫu khác tại điểm giữa bán kính của nó; ba mẫu này đại diện cho tất cả các hướng rèn. Các mẫu được ăn mòn bằng dung dịch axit nitric-cồn 4%, sau đó được phân tích cấu trúc vi mô 500 lần ủ và thực hiện 50 lần thử nghiệm phân tách dải, với các bề mặt thử nghiệm được giữ song song với hướng biến dạng chính. Hướng này đảm bảo rằng các ranh giới hạt sau ăn mòn nằm thấp hơn so với tâm hạt, tạo ra các rãnh thuận lợi cho việc phân tích cấu trúc vi mô kỹ lưỡng. Các thử nghiệm phân tách ủ cho thấy tính đồng nhất cấu trúc vi mô cao, cho thấy rằng phôi thép khuôn đã trải qua quá trình nấu chảy điện xỉ, rèn và xử lý nhiệt hiệu quả. Phân tích cấu trúc vi mô cho thấy cả ba mẫu đều thể hiện cấu trúc perlit hình cầu mà không có cacbua eutectic trên nền, với các hạt cacbua thứ cấp mịn và phân bố đồng đều. Do kích thước lớn của các sản phẩm rèn, tốc độ làm nguội khác nhau trong quá trình làm nguội sau rèn dẫn đến các biến thể cấu trúc vi mô rõ rệt: các bề mặt được làm nguội nhanh hơn tạo ra ít cacbua hơn và mịn hơn, thể hiện độ cầu hóa thấp hơn so với vùng lõi.

3.2 Mô ở độ phóng đại thấp

Theo tiêu chuẩn quốc gia, phương pháp khắc axit lạnh phải được sử dụng để xử lý thép khuôn dập nóng, sau đó tiến hành kiểm tra cấu trúc vi mô ở độ phóng đại thấp. Các mẫu được ngâm trong dung dịch khắc axit amoni persunfat 30% trong khoảng 5 phút, sau đó rửa sạch bằng nước và lau ngay bằng cồn y tế trước khi kiểm tra bằng kính lúp và quan sát trực quan. Không phát hiện thấy các khuyết tật luyện kim như phân lớp, bọt khí, đốm trắng hoặc vết nứt, cũng như không phát hiện các vấn đề như rỗ trung tâm hoặc phân tách phôi, như thể hiện trong Hình 1. Điều này là do tốc độ đông đặc cực nhanh của thép nóng chảy trong quá trình rèn, tạo ra các nhánh tinh thể mịn đảm bảo cấu trúc vi mô đồng nhất, trong khi sự thay đổi hướng phát triển tinh thể giúp giảm thiểu rỗ trung tâm và sự phân tách. Do đó, thép khuôn dập được nấu chảy lại bằng điện xỉ thể hiện tính đồng nhất và mật độ cấu trúc vi mô vượt trội so với phôi đúc thông thường.

3.3 Phân tích kích thước hạt

Các mẫu thép khuôn H13 đã trải qua quá trình xử lý nhiệt tôi phân cấp ở nhiệt độ 1010 °C. Sau đó, tiến hành thử nghiệm ăn mòn kích thước hạt để phân loại. Quá trình phân loại sử dụng các kỹ thuật phân tích hình ảnh bằng phần mềm chuyên dụng để xử lý và diễn giải hình ảnh thu được từ kính hiển vi luyện kim và kính hiển vi điện tử, tính toán các thông số chính như diện tích và chu vi hạt để xác định kích thước hạt.

Hình 2 trình bày các hình ảnh thu được bằng kính hiển vi luyện kim và kính hiển vi điện tử. Quan sát cho thấy các mẫu thép khuôn chủ yếu có cấu trúc hạt mịn, với một số ít hạt lớn hơn. Kích thước hạt trong các vùng hạt mịn đạt cấp 8, đáp ứng yêu cầu tối thiểu cấp 7 về kích thước hạt của tiêu chuẩn NADCA. Sự cải thiện này là kết quả của quá trình nấu chảy lại bằng điện xỉ, tiếp theo là rèn với tỷ lệ rèn cao và xử lý nhiệt, giúp giảm đáng kể kích thước hạt và tinh chế triệt để cấu trúc cacbua.

4. Kết luận

Để nâng cao tính đồng nhất về cấu trúc vi mô của thép khuôn H13 sau khi rèn, thành phần hóa học của nó đã được tối ưu hóa và quy trình sản xuất được tinh chỉnh. Quy trình rèn khuôn H13 được thiết kế tỉ mỉ, sử dụng lò nấu chảy điện xỉ để sản xuất thép khuôn, tiếp theo là ủ và xử lý nhiệt. Các thử nghiệm tiếp theo cho thấy thép khuôn H13 được nấu chảy điện xỉ thể hiện tính đồng nhất về cấu trúc vi mô và mật độ vượt trội so với các thỏi thép đúc khuôn thông thường, với những cải thiện đáng kể được quan sát thấy trong cấu trúc vi mô ở độ phóng đại thấp.