淬火回火工藝對(duì)H13鋼組織及硬度性能的影響*

李勇，陳晶芳

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院先進(jìn)材料研發(fā)中心，浙江溫州325003）

淬火回火工藝對(duì)H13鋼組織及硬度性能的影響*

李勇，陳晶芳

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院先進(jìn)材料研發(fā)中心，浙江溫州325003）

通過對(duì)不同淬火及回火工藝處理的H13鋼進(jìn)行硬度測試及金相分析，結(jié)果顯示：H13鋼在1020℃～1080℃淬火溫度范圍內(nèi)、530℃～650℃回火溫度區(qū)間內(nèi)，隨淬火溫度的升高，鋼的淬火硬度有先升高后下降的趨勢，H13鋼在1050℃左右淬火時(shí)其淬火硬度最高。當(dāng)淬火溫度相同時(shí)，隨回火溫度的升高，鋼的回火硬度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，在560℃左右回火時(shí)其回火硬度達(dá)到峰值，此時(shí)鋼的組織主要由板條狀回火馬氏體、細(xì)小碳化物顆粒加少量的殘余奧氏體組成，且隨著回火溫度的升高，回火馬氏體逐步向回火索氏體轉(zhuǎn)化；當(dāng)回火溫度達(dá)到620℃～650℃時(shí)，鋼的硬度開始急劇下降。

H13熱作模具鋼；淬火回火；硬度；顯微組織

H13鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，在中溫條件下具有較好的韌性、熱疲勞性和一定的耐磨性，在生產(chǎn)中廣泛用于銅、鋁等合金的熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等[1-2]。資料顯示[3-5]：H13鋼熱處理時(shí)適當(dāng)提高淬火溫度，在奧氏體晶粒長大不明顯的情況下，由于碳化物加速溶解，奧氏體中含碳量和合金元素量的增加，可提高淬火后的硬度，在隨后回火過程中析出細(xì)小彌散的碳化物，這種組織有利于提高材料的熱疲勞性能和回火穩(wěn)定性，可充分發(fā)揮H13鋼的潛力。本文經(jīng)過對(duì)H13鋼進(jìn)行多組熱處理工藝試驗(yàn)，通過對(duì)常用的中溫工作段內(nèi)鋼的硬度性能表現(xiàn)進(jìn)行檢測和分析，希望能對(duì)H13鋼的用途極限認(rèn)識(shí)、性能改善及熱處理工藝優(yōu)化提供進(jìn)一步的參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為普通模具鋼市場采購的H13鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。

淬火、回火試驗(yàn)設(shè)備為上海中奕電爐有限公司生產(chǎn)的SSX-12-16型高溫箱式電阻爐和SX2-4-10型中溫箱式電阻爐。硬度檢測設(shè)備為萊州華銀儀器有限公司生產(chǎn)的HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)。金相分析設(shè)備為德國LEICA公司的DM2500型正置金相顯微鏡。成分分析設(shè)備為德國BRUKER公司的S4型X熒光光譜儀。

表1 H13鋼主要化學(xué)成分表（Wt%）

具體試驗(yàn)過程如下：淬火預(yù)熱分兩段預(yù)熱，在650℃與850℃下各預(yù)熱30 min后，升溫至淬火溫度，保溫5 min～7 min后油淬，分別完成1 020℃、1 050℃、1 080℃的淬火試驗(yàn)；試樣尺寸為55 mm* 10 mm*10 mm的條型試樣?；鼗鸩捎枚位鼗鸸に?，每次回火時(shí)間為1 h，分別完成530℃、560℃、590℃、620℃、650℃下5種不同溫度的回火試驗(yàn)，空冷。每個(gè)試驗(yàn)工藝取3個(gè)試樣檢測硬度，取其平均值作為硬度測試結(jié)果；金相分析時(shí)采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試樣的硬度檢測數(shù)據(jù)，H13鋼淬火硬度隨淬火溫度的變化折線圖如圖1所示；經(jīng)回火處理后鋼的回火硬度隨回火溫度的變化曲線圖如圖2所示。

圖1 淬火硬度隨淬火溫度變化折線圖

圖2 回火硬度隨回火溫度變化曲線圖

從圖1可以看出：H13鋼在試驗(yàn)的1 020℃～1 080℃的淬火溫度范圍內(nèi)，隨淬火溫度的升高，鋼的淬火硬度有先上升后下降的趨勢。H13鋼在1 050℃左右淬火時(shí)其淬火硬度最高，約為53HRC。

從圖2可以看出：H13鋼在1 020℃～1 080℃淬火、530℃～650℃回火溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)淬火溫度相同時(shí)，隨回火溫度的升高，鋼的回火硬度均呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，且都在560℃左右回火時(shí)鋼的回火硬度達(dá)到峰值；H13鋼在1 050℃左右淬火、560℃左右回火時(shí)，鋼的回火硬度性能表現(xiàn)最好，約為51 HRC；隨后隨回火溫度的升高，鋼的硬度下降，當(dāng)H13鋼在650℃左右回火時(shí)，其回火硬度均不超過39 HRC，顯示出H13鋼在650℃以上工作時(shí)，其硬度性能會(huì)顯著下降。

圖3至圖8分別為H13鋼在不同淬火、不同回火溫度下的金相組織圖。從圖中可以看出，當(dāng)回火溫度相同時(shí)，隨淬火溫度的升高，H13鋼的晶粒尺寸在增大，圖4中H13鋼在1080℃淬火時(shí)的晶粒尺寸明顯較圖3中1020℃淬火的晶粒尺寸粗大。

當(dāng)淬火溫度相同時(shí)，隨回火溫度的升高，H13鋼的組織出現(xiàn)了明顯的變化。560℃回火時(shí)鋼的組織仍顯現(xiàn)出板條狀回火馬氏體特征，主要由板條狀回火馬氏體、細(xì)小碳化物顆粒加少量的殘余奧氏體組成，鋼的硬度仍然較高；到650℃回火時(shí)，鋼的回火組織則主要由回火索氏體加殘余奧氏體組成，其晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的畸變程度明顯減弱，因此鋼的硬度較低；可以看出，隨回火溫度的升高，H13鋼的馬氏體組織亞結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)畸變特征衰減程度明顯加大[6]，主要回火組織更是由馬氏體向索氏體轉(zhuǎn)變；從圖7可以看出，H13鋼在620℃回火時(shí)，其晶內(nèi)的畸變表征已不太顯著，鋼的硬度就已顯示出即將急劇下降的趨勢和特征。

3 結(jié)論

（1）H13鋼在試驗(yàn)的1 020℃～1 080℃的淬火溫度范圍內(nèi)，隨淬火溫度的升高，鋼的淬火硬度有先升高后下降的趨勢；H13鋼在1 050℃左右淬火時(shí)其淬火硬度最高，約為53 HRC。

圖3 1020℃淬火+620℃回火

圖4 1080℃淬火+620℃回火

圖5 1050℃淬火+560℃回火

圖6 1050℃淬火+590℃回火

圖71050 ℃淬火+620℃回火

圖81050 ℃淬火+650℃回火

（2）H13鋼在試驗(yàn)的1 020℃～1 080℃淬火、530℃～650℃回火溫度范圍內(nèi)，當(dāng)淬火溫度相同時(shí)，隨回火溫度的升高，鋼的回火硬度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，在560℃左右回火時(shí)其回火硬度達(dá)到峰值，此時(shí)鋼的組織主要由板條狀回火馬氏體、細(xì)小碳化物顆粒加少量的殘余奧氏體組成，隨著回火溫度的升高，其主要組織由回火馬氏體向回火索氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)回火溫度達(dá)到620℃～650℃時(shí)，鋼的硬度開始急劇下降，超過650℃后，鋼的硬度已低于39 HRC，已難以滿足絕大多數(shù)熱作模具鋼的工作要求，因此，建議H13鋼的模具不要在超過650℃的工況下進(jìn)行工作。

[1]王明,馬黨參.周健,等.H13鋼壓鑄模具裂紋分析[J].熱加工工藝,2013,42(21):62-65.

[2]李勇,左秀榮,陳蘊(yùn)博,等.國內(nèi)外熱作模具鋼的研究進(jìn)展[J].特殊鋼,2010,31(3):20-23.

[3]劉宗昌,杜志偉,朱文方,等.H13鋼的回火二次硬化[J].兵器材料科學(xué)與工程,2001,24(3):11-13.

[4]林高用,鄭小燕.熱處理工藝對(duì)H13鋼組織與性能的影響.熱加工工藝,2007,36(4):46-48.

[5]朱心昆,趙應(yīng)富.淬火溫度對(duì)H13鋼性能的影響[J].金屬熱處理,1994(8):28-30.

[6]石淑琴.熱處理原理與工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

（責(zé)任編輯：翁茂榮）

Influences of Quenching and Tempering on Microtructure and Hardess of H13 Steel

LI Yong,Chen Jingfang
（Advanced Materials R＆D Center,Zhejiang Industry＆Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China）

The heat treatment process of H13 steel were tested in condition of different quenching and tempering temperatures, then material microstructure and hardness of performance were analyzed in this paper.The results indicated that hardness of H13 steel showed the trend increasing firstly and then decreasing when the tempering temperature raised and the quenching temperature was the same,in the range of 1 020℃～1 080℃quenching temperature and 530℃～650℃tempering temperature.The highest hardness of H13 steel was obtained when the material was treated by 560℃tempering temperature.And the microstructure of H13 steel was mainly made up of granular carbides,lath tempered martensites and small amount of residual austenites.In addition,tempered martensites grad?ually transformed into tempered sorbites when the tempering temperature raised.And the hardness of H13 steel started a precipitous de?cline in the range of 620℃～650℃tempering temperature.

H13 hot die steel;quenching and tempering;hardness;microstructure

TG156

A

1672-0105（2014）04-0058-03

10.3969/j.issn.1672-0105.2014.04.015

2014-11-04

溫州市首批重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（C20120003）

李勇（1976—），男，河南新縣人，碩士，講師，主要研究方向：新型金屬材料、模具材料及其表面處理。