不同熱處理工藝下H 13鋼組織性能的變化

晏廣華, 黃新民, 褚作明, 金 康, 王艷青, 秦興國(guó), 楊 明

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.中國(guó)機(jī)械科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 先進(jìn)制造技術(shù)中心,北京 100083)

壓鑄模具主要是在高壓下使高溫熔融金屬成型的工具。在工作時(shí)承受一定的沖擊載荷,模腔與高溫金屬接觸,本身溫度常達(dá)到500～600℃,局部達(dá)到700℃,且不斷的磨損,經(jīng)受反復(fù)的加熱冷卻[1-4]。H 13鋼是較常使用的壓鑄模具材料,該鋼主要含有Cr、Mo、Si、V 等合金元素,具有較高的硬度、淬透性、熱強(qiáng)性和耐磨性,同時(shí)具有一定的沖擊韌性,實(shí)際生產(chǎn)中H 13鋼容易出現(xiàn)熱疲勞、龜裂、早期斷裂等失效形式,合理的熱處理制度是避免早期失效、延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[5]報(bào)道H 13鋼經(jīng)1 100℃淬火、600℃回火后表現(xiàn)出較優(yōu)的強(qiáng)韌性配合和綜合使用性能。本文研究了常用壓鑄模具材料H 13鋼淬火、回火工藝對(duì)力學(xué)性能的影響,并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,得出了H 13鋼最佳淬火、回火工藝參數(shù),為H 13鋼的熱處理工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

采用中頻熔煉、電渣重融、多向鍛造的H 13鋼,交貨狀態(tài)為退火態(tài),硬度HRC15～20。化學(xué)成分 :0.39%C 、0.35%M n、5.0%Cr、1.0%Si、1.4%M o和1.0%V。退火態(tài)H13鋼中碳化物類型主要為含Cr的碳化物M 23 C6、含M o的碳化物M 6 C和含V的碳化物MC,淬火加熱溫度為1 050～1 070℃時(shí)M23C6型碳化物達(dá)到最大溶解度,而M6 C和MC型碳化物熔點(diǎn)較高,要使其完全溶解需要更高的淬火溫度,同時(shí)會(huì)增加晶粒長(zhǎng)大的風(fēng)險(xiǎn),所以選定3個(gè)淬火溫度(1 020、1 050、1 080℃);回火加熱時(shí),溫度達(dá)到350℃以上Cr元素?cái)U(kuò)散速度明顯加快,溫度達(dá)到550℃時(shí)Mo、V擴(kuò)散速度明顯加快,溫度達(dá)到650℃時(shí)合金元素在鐵素體和碳化物之間基本達(dá)到平衡[6],所以選定3個(gè)回火溫度(560、600、640 ℃);制定其熱處理工藝曲線如圖1所示。H13鋼經(jīng)機(jī)械加工成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沖擊、拉伸試樣,在不同溫度淬火后立即進(jìn)行不同溫度的回火,回火次數(shù)為2次;同時(shí)進(jìn)行了1次回火和3次回火與2次回火的比較。

圖1 熱處理工藝曲線

熱處理后,對(duì)試樣的硬度、沖擊功、抗拉強(qiáng)度以及塑性進(jìn)行了檢測(cè),并通過金相顯微鏡、SEM、TEM以及X-Ray衍射分析對(duì)試樣的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察、分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對(duì)硬度的影響

不同溫度淬火后試樣的硬度如圖2所示。

圖2 硬度-淬火溫度曲線

由圖2可看出,隨著淬火溫度的升高H13鋼硬度逐漸增加,1 080℃淬火時(shí)硬度達(dá)到HRC58,高于1 080℃淬火硬度升高速度減慢。在淬火加熱的過程中,合金碳化物M23 C6(主要是含Cr的碳化物)逐漸融入奧氏體晶粒中,當(dāng)加熱溫度達(dá)到1 100℃時(shí),合金碳化物MC(主要含V的碳化物)開始溶解[7]。加熱溫度越高溶入的合金元素越多,淬火冷卻后硬度越高,但隨著碳化物溶解的結(jié)束以及奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,硬度的升高速度逐漸減慢。

H 13鋼經(jīng)不同溫度淬火冷卻后的X-Ray衍射分析如圖3所示,由圖3可看出,H 13鋼經(jīng)不同溫度淬火冷卻后的組織主要相均為板條馬氏體(C0.055 Fe1.945),同時(shí)含有殘余奧氏體和未溶碳化物,但由于其高的淬透性和淬火保溫時(shí)間較充足,殘余奧氏體和未溶碳化物的含量很少,當(dāng)2θ=37.5°時(shí),合金碳化物小峰隨淬火溫度的升高逐漸減小至消失,說明淬火溫度越高有越多的合金碳化物溶解進(jìn)入奧氏體晶粒中;同時(shí)可以看出,淬火冷卻后馬氏體峰位隨淬火溫度升高有向低角度方向偏移的趨勢(shì),這是由于淬火殘余應(yīng)力的影響及淬火馬氏體正方度的變化造成的,淬火溫度越高,冷卻時(shí)馬氏體板條之間以及與奧氏體之間相互撞擊,產(chǎn)生殘余應(yīng)力越多,從而引起馬氏體峰位向低角度方向偏移的趨勢(shì)[8]。淬火冷卻后原奧氏體晶粒的金相照片如圖4所示。

圖3 不同溫度淬火后H 13鋼XRD相分析結(jié)果

圖4 1 050℃和1 080℃淬火后原奧氏體晶粒

從圖4a可以看出,1 050℃淬火后原奧氏體晶粒均勻細(xì)小,對(duì)照文獻(xiàn)[9]可知晶粒度在10級(jí)左右;由圖4b可知,1 080℃淬火后原奧氏體晶粒粗細(xì)不均勻,晶粒大小相差較大,最大晶粒尺寸達(dá)到50μm以上,最小在6μm左右,出現(xiàn)混晶,晶粒度級(jí)別在8級(jí)以下,這種晶粒尺寸的不均勻會(huì)使H 13鋼性能下降,所以更高溫度的淬火后,其硬度增加速度減慢,同時(shí)帶來回火后H 13鋼沖擊韌性的劇烈下降。1 050℃淬火后H13鋼晶粒均勻細(xì)小、硬度適中且淬火開裂少。

2.2 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

1 050℃淬火不同溫度回火后試樣力學(xué)性能變化曲線如圖5所示。

可見,隨回火溫度的升高,H 13鋼塑韌性升高,同時(shí)硬度、強(qiáng)度逐漸降低。1 050℃淬火不同溫度回火后沖擊試樣斷口形貌如圖6所示。

圖5 力學(xué)性能-回火溫度曲線

圖6 1 050℃淬火后不同回火溫度沖擊試樣斷口形貌

由圖6可以看出,560、600、640℃回火后沖擊試樣斷口分別為延晶斷裂、解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂,說明隨回火溫度的升高,H 13鋼韌性不斷升高。在回火加熱的過程中,當(dāng)加熱溫度達(dá)到500℃時(shí),由于合金碳化物MC(主要含V的合金碳化物)的析出,H 13鋼出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象[10]。溫度繼續(xù)升高殘余奧氏體幾乎全部分解結(jié)束,淬火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體,同時(shí)大量合金碳化物逐漸彌散析出,這些合金碳化物能部分溶入鐵素體,提高鐵素體的強(qiáng)度和延緩鐵素體的再結(jié)晶過程,所以回火溫度達(dá)到600℃時(shí)H 13鋼硬度有所下降,但仍然保持在HRC46以上。同時(shí)由于淬火殘余應(yīng)力的釋放沖擊功升高,材料的塑韌性得到改善。當(dāng)回火溫度達(dá)到640℃后,由于淬火殘余應(yīng)力完全釋放,鐵素體重結(jié)晶基本結(jié)束,試樣塑韌性急劇升高,延伸率達(dá)到8.86%,沖擊吸收功達(dá)到40 J左右,但硬度和抗拉強(qiáng)度下降較多,已經(jīng)不能滿足使用環(huán)境的要求。綜上分析,H 13鋼經(jīng)600℃回火后具有較好的力學(xué)性能,在具有一定塑韌性的條件下,硬度為HRC46,抗拉強(qiáng)度為1 340 MPa,基本滿足使用環(huán)境的要求。所以回火溫度在600～620℃時(shí)進(jìn)行。

2.3 回火次數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

1 050℃淬火、600℃回火不同次數(shù)后試樣硬度和沖擊功的變化曲線如圖7所示。

圖7 硬度、沖擊功-回火次數(shù)曲線

試樣在1次回火后沖擊吸收功較低,3次回火后沖擊功增加較多,所以回火次數(shù)越多,H 13鋼硬度越低、沖擊功越高,即韌性越好。1 050℃淬火、600℃回火不同次數(shù)后試樣組織的 TEM照片如圖8所示。由圖8可知,隨回火次數(shù)的增加,馬氏體板條束逐漸消失,淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,合金碳化物逐漸析出,1次回火后合金碳化物在馬氏體板條內(nèi)析出,2次回火后合金碳化物逐漸長(zhǎng)大,3次回火后合金碳化物呈圓球形分布,顆粒大小大于1次、2次回火后的碳化物。

圖8 1 050℃淬火、600℃回火不同次數(shù)的 TEM

由于熱作模具鋼在工作時(shí)承受一定的沖擊載荷,要求具有一定的韌性,所以H 13鋼淬火后只回火1次在沖擊性能上不能滿足要求;2次回火后具有較好的綜合力學(xué)性能,對(duì)于承受沖擊載荷不大但對(duì)硬度有較高要求的模具,宜使用2次回火;3次回火后硬度在HRC32,沖擊吸收功較高達(dá)到47 J,對(duì)于承受較大沖擊載荷而對(duì)硬度要求不高的模具宜使用3次回火。

3 結(jié) 論

淬火溫度應(yīng)該低于1 080℃,淬火加熱溫度高于1 080℃后奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大,冷卻后晶粒大小不均勻,晶粒度小于8級(jí);低于1 050℃淬火晶粒度在10級(jí)以上。H 13鋼經(jīng)1 050℃真空淬火(油冷)、600℃回火2次、每次4 h后可以得到良好的力學(xué)性能。回火1次沖擊性能欠佳,回火2次性能最佳,對(duì)于承受較大沖擊載荷的模具可以采用3次回火工藝。

[1]趙昌盛.實(shí)用模具材料應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:89-91.

[2]Bahrami A,Mousavi A S H.Effects of conventional heat treatment on w ear resistance of A ISIH 13 tool steel[J].W ear,2005,258(5/6):846-851.

[3]K lobˇcar D,Tuˇsek J,Taljat B.Therm al fatigue of materials for die-casting tooling[J].Materials Scien ce and Engineering,2008,472:198-207.

[4]劉俊建,陳國(guó)宏,王家慶,等.時(shí)效熱處理對(duì)HR3C鋼組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,34(1):47-51.

[5]張家濤,鐘 毅.壓鑄用 H 13熱作模具鋼熱處理工藝研究[J].特種鑄造及有色合金,2009,29(3):237-238.

[6]姜祖庚,陳再枝.模具鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988:35-40.

[7]陳再枝.模具鋼手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:70-74.

[8]滕鳳恩.X射線分析原理與晶體衍射實(shí)驗(yàn)[M].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,2002:76-78.

[9]GB/T 6394-2002,金屬平均晶粒度測(cè)定法[S].

[10]陳 鷹,陳再枝.用相分析法結(jié)合TEM觀察分析 H 13鋼的回火二次硬化[C]//2004中國(guó)金屬學(xué)會(huì)青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,福州,2004:97-101.