鍛后退火態(tài)H13鋼的顯微組織分析

郭加林，項勝前，周春榮，黃繼武

1．廣東豪美鋁業(yè)有限公司，廣東 清遠511540；2．中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙410083

鍛后退火態(tài)H13鋼的顯微組織分析

郭加林1，項勝前1，周春榮1，黃繼武2

1．廣東豪美鋁業(yè)有限公司，廣東 清遠511540；2．中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙410083

以R，T，G三種鍛后退火態(tài)H13鋼為實驗材料，采用金相、XRD和SEM等分析方法，對其顯微組織進行了研究．結(jié)果表明：從晶粒度、非金屬夾雜、疏松、成分分布均勻性、偏析等方面評析，R鋼的顯微組織最佳，T鋼和G鋼次之；R鋼是用于擠壓熱作模具比較理想的材料．

H13鋼；晶粒度；非金屬夾雜；疏松；偏析

H13（4Cr5MoSiV1）鋼具有高淬透性、優(yōu)良的抗熱裂能力、中等耐磨損性能及熱處理變形小等特點，是目前國內(nèi)外使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種[1]．該鋼在中溫（600℃）時具有高的耐磨性、較好的耐冷熱疲勞性能．由于這種鋼具有良好的綜合機械性能，越來越廣泛地被用于制造模鍛錘的鍛模、熱擠壓模具與芯棒、鍛造壓力機模具、精鍛機用模具、鑲塊以及鋁、銅及其合金的壓鑄模等．

目前，我國用H13鋼制造的鋁型材擠壓模具，普遍存在使用壽命低、擠壓出的型材表面光潔度差等缺點．因此，要提高模具壽命，就要求模具材料具有高強度、高硬度、高韌性和優(yōu)良的抗劃傷性等綜合性能．由于模具材料的問題，在經(jīng)過熱處理（氣體軟氮化）后的擠壓過程中，模具脆裂嚴重，整爐脆裂報廢的情況時有發(fā)生．選用H13鋼作模具材料對實際生產(chǎn)具有相當重要的意義．為此，選用三種國內(nèi)外鍛后退火態(tài)H13鋼作為實驗材料，分析其顯微組織，為實際生產(chǎn)提供指導．

1 實驗部分

1．1 試 料

試驗材料為R，T，G三種鍛后退火態(tài)H13鋼，其化學成分列于表1．

1．2 測試方法

金相樣品的腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液，用POLYVER－MET金相顯微鏡觀察樣品的金相顯微組織；采用Sirion200場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析合金的第二相和成分偏析；用日本理學D/max－2500/PC型X射線衍射儀進行物相分析，操作條件：Cu－Kα輻射、電壓40 k V、電流250 m A．

表1 H13鋼的化學成分Table 1 The chemical composition of H13 steel

2 實驗結(jié)果與分析

2．1 合金的金相顯微組織

2．1．1 合金基體內(nèi)部組織

三種合金的金相顯微組織如圖1所示．由圖1可知，R鋼和G鋼的晶粒較細，T鋼的晶粒較粗．這一結(jié)果在XRD分析中得到驗證．R鋼的偏析不太明顯，T鋼次之，而G鋼的偏析最嚴重．三種鋼鍛后退火態(tài)的組織均為珠光體＋碳化物．在R鋼和T鋼中未看到共晶碳化物，二次碳化物的顆粒細小且均勻分布在基體上，而G鋼中部分二次碳化物呈鏈狀沿晶分布．

2．1．2 合金基體中的非金屬夾雜物

三種合金基體中的非金屬夾雜物分布如圖2所示．由圖2可知，R鋼中的非金屬夾雜（黑點和中間白點）較少，G鋼和T鋼中的非金屬夾雜（黑點和中間白點）較多．

圖2 三種合金基體的非金屬夾雜物分布Fig．2 The distribution of nonmetallic impurity in the three steels matrix

2．2 合金成分分布的均勻性

合金成分Mo，Cr，V，Si分布的均勻性見圖3．由圖3可知，R鋼合金成分的分布基本均勻；T鋼存在明顯的粒子，且粒子相對較粗，成分分布有明顯的點狀析出；G鋼的成分分布極不均勻且有粗大粒子．G鋼組織中有塊狀的共晶碳化物鑲嵌在基體中，這些富釩的共晶碳化物質(zhì)硬而脆，破壞了材料基體的連續(xù)性．共晶碳化物及碳化物沿晶分布會降低H13鋼的熱疲勞性能，共晶碳化物促使疲勞裂紋萌生[2]．模具原材料的碳化物偏析會造成材料局部化學成分偏析，導致模具的熱疲勞強度大幅度降低．

2．3 合金基體的SEM形貌分析

合金基體的SEM形貌如圖4所示．從圖4可看出，R鋼的疏松孔洞較小，分布較均勻；T鋼的孔洞較大；G鋼的孔洞大小、形狀都不一致，不但存在較小的孔洞，同時也存在大的孔洞．

圖3 合金成分Mo，Cr，V，Si分布的均勻性Fig．3 The uniformity of Mo，Cr，V and Si composition distribution

圖4 三種合金基體的SEM形貌Fig．4 The SEM microstructures of the three steels

2．4 基體第二相

三種合金基體的第二相分析結(jié)果見圖5．從圖5可以看出，基體上分布著白色、灰色和黑色三種顏色的粒子．其中R鋼的粒子最細而且均勻，T鋼中的粒子相對較粗，而G鋼中的粒子大小不一，最粗的和最小的粒子相比，大小相差有10倍左右．圖5中的白色粒子為Mo2C，形狀為圓形，其中以R鋼的粒子最細，T鋼和R鋼中的粒子尺寸相當，都較粗大．灰色粒子中除含有少量Mo外，主體為VC和Si，這種粒子較小且均勻，三種鋼中此種粒子沒有太大的區(qū)別．黑色粒子與灰色粒子的組成基本相同．

三種鋼材的物相構(gòu)成基本相同，R鋼的碳化物主要為Mo2C，T鋼和G鋼的碳化物主要為Fe7C3．三種鋼的共同特點是邊緣晶粒較細，中心部位的晶粒較粗．

3 結(jié) 論

從晶粒度、非金屬夾雜、疏松、成分分布均勻性、偏析等方面綜合評析，R鋼顯微組織最佳，T鋼和G鋼次之．R鋼是用于擠壓熱作模具比較理想的材料．

圖5 三種合金基體的第二相Fig．5 The second－phase of the three steels

[1]UNTERWEISER P M，BOYER H E，KUBBS J J．Heat TreZater＇s Guide，Standar Practices and Procedures for Steel[M]．Ohio：ASM Metals Park，1982．

[2]唐文軍，吳曉春．4Cr5MoSiV1鋼中碳化物對熱疲勞性能影響[J]．熱處理，2003，18（1）：32－35．

Microstructure analysis of H13 steel under forged annealed state

GUO Jialin1，XIANG Shengqian2，ZHOU Chunrong1，HUANG Jiwu2
1．Guangdong Haomei Aluminum Co．Ltd．，Qingyuan 511540，China；2．School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China

The microstructures of three kinds of H13 steel under forged annealed state are investigated by OM，XRD and SEM．The three kinds of H13 steel under forged annealed state are R，T，G steel respectively．The results show that analyzing from grain crystal size，nonmetallic impurity，porosity，uniformity of composition distribution，segregation and so on，the microstructure of R steel is optimum，then followed by T steel and G steel．It seems that R steel is a good material for extrusion hot die．

H13 steel；crystal grain size；non－metallic inclusion；porosity；segregation

TG142．1

A

1673－9981（2011）03－0225－04

2010－11－06

郭加林（1982—），男，安徽桐城人，工程師，碩士．