熱處理工藝對H13鋼微觀組織的影響

葉喜蔥　程　俊,2　吳彬彬　鄢　瀝　吳海華

(1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌　443002;2.武鋼集團(tuán)襄陽重型裝備材料有限公司，湖北 襄陽　441103)

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熱處理工藝對H13鋼微觀組織的影響

葉喜蔥1程俊1,2吳彬彬1鄢瀝1吳海華1

(1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌443002;2.武鋼集團(tuán)襄陽重型裝備材料有限公司，湖北 襄陽441103)

摘要：首先對H13進(jìn)行了高溫正火+球化退火的預(yù)備熱處理，獲得碳化物分布均勻、球化率高于95%的退火組織．進(jìn)而對退火組織進(jìn)行了淬火+回火最終熱處理，研究了淬火溫度對H13鋼組織和硬度的影響．隨著淬火溫度的提高，溶解的合金碳化物增多，溶解的合金碳化物使基體中的碳含量和合金含量增多，淬火組織硬度得到了提高，大顆粒碳化物熔解為細(xì)小的碳化物，當(dāng)淬火溫度為1 100℃，保溫1.5 h，合金碳化物幾乎全部溶解．對淬火組織進(jìn)行了二次回火，回火使淬火過程中熔解的碳化物又重新彌散析出，且隨著淬火溫度的提高，回火硬度提高，碳化物更加細(xì)小，分布得更均勻．

關(guān)鍵詞：H13鋼；熱處理；淬火；微觀組織；回火

H13屬于熱作模具鋼，我國的牌號是4Cr5MoSiV1，是在碳素工具鋼中加入Cr、V等合金元素而形成的鋼種，在中溫下的綜合性能好，可空冷淬硬，廣泛應(yīng)用于鍛模、壓鑄模和擠壓模，是目前應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼種之一[1-2]．由于H13鋼中合金元素含量可達(dá)到8%左右，合金元素改變了鐵碳平衡相圖，共析點左移，屬過共析鋼，在凝固過程中出現(xiàn)二次網(wǎng)狀碳化物，如果熔煉和凝固過程控制不當(dāng)，還會出現(xiàn)Cr和V的一次碳化物和合金元素的偏析．目前很多國內(nèi)生產(chǎn)廠家的H13鋼鍛前熱處理為簡單的球化退火，退火溫度低，合金元素不能得到擴(kuò)散，一次碳化物不能充分熔解，造成組織中存在粗大的一次碳化物，偏析也十分嚴(yán)重，鍛造后形成局部的鏈狀碳化物，強(qiáng)烈影響模塊的沖擊韌度[3]．前期研究表明，高溫正火+球化退火熱處理工藝加熱溫度高，冷卻速度快，有利于減少合金元素的偏析，獲得分布均勻二次碳化物、細(xì)小的組織[4]．本文對前期的預(yù)備熱處理進(jìn)行了后續(xù)的最終熱處理工藝，即淬火+回火．淬火溫度對H13鋼的最終性能具有重要的作用，如果淬火溫度過低，碳化物溶解不充分，鋼的淬透性下降，回火的穩(wěn)定性降低，硬度達(dá)不到要求，溫度過高又會導(dǎo)致奧氏體晶粒長大，大量碳化物溶入基體，淬火后出現(xiàn)針狀馬氏體，且硬度過高，增加熱應(yīng)力，服役容易開裂和折斷．因此，有必要研究淬火溫度對H13鋼的組織和性能的影響，優(yōu)化淬火工藝，獲得組織均勻而細(xì)小、彌散程度高、硬度適中的H13鋼，進(jìn)而提高其后續(xù)使用性能．

1實驗材料的制備[4]

試驗用H13鋼通過電爐熔煉+真空精煉+電渣重熔獲得鑄錠，將電渣重熔后的鑄錠進(jìn)行鍛造．在進(jìn)行鍛造前，首先將鑄錠送至天然氣加熱的熱處理爐，以一定的加熱速度將鑄錠加熱到1 200℃，在該溫度下保溫2 h，由于加熱溫度高，保溫時間長，碳化物可以達(dá)到充分的熔解，合金元素的擴(kuò)散能力也得到了提高，可以大大改善合金元素的偏析．鍛造時，控制始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度不得低于850℃，保證鍛件不硬化，并且保證橫向和縱向都鍛透，鍛造比>3，將鍛造后的H13鋼送入熱處理爐進(jìn)行熱處理．試驗用H13鋼化學(xué)成分見表1．

表1　試驗用H13鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)[4]

2實驗結(jié)果及分析

2.1高溫正火+球化退火

目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠家對H13鋼的預(yù)備熱處理工藝是簡單的球化退火，并未加高溫正火．研究表明，在球化退火前進(jìn)行正火有利于細(xì)化組織和碳化物均勻分布，但正火工藝的研究大多集中在950～980℃左右，通過相圖分析發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)H13鋼完全奧氏體化溫度為930～940℃左右，因此，采用950～980℃進(jìn)行正火的溫度偏低．為了使碳化物充分熔解，合金元素得到擴(kuò)散，進(jìn)一步提高了正火溫度，達(dá)到1 020℃.如圖2所示[4]，采用高溫正火+球化退火的工藝其球化效果非常明顯，球化率在95%以上，偏析得到大幅度的改善，晶粒度在7級左右，達(dá)到了北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)評級．

圖1　H13組織的相模擬

圖2　H13鋼高溫正火+球化退火工藝[4]

2.2淬火溫度對H13鋼組織的影響

淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織．在奧氏體晶粒長大不明顯的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣叽慊饻囟瓤梢约铀偬蓟锏娜芙猓箠W氏體中含碳量和合金元素量增加，提高淬透性的同時可提高淬火后的硬度，進(jìn)而在隨后回火過程中可以進(jìn)一步析出彌散的、細(xì)小的碳化物，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．本文選擇的淬火溫度為950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃，保溫1.5 h，油淬．

圖3所示為分別在950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃爐中保溫1.5 h后在油中淬火所得的顯微組織．通過觀察發(fā)現(xiàn)，不同保溫溫度的H13鋼淬火后的主相均為馬氏體，同時還有殘余奧氏體和碳化物，隨著淬火溫度的提高，碳化物的尺寸和數(shù)量減少，但是其晶粒尺寸也得到了相應(yīng)的增大，這是由于溫度的提高導(dǎo)致在奧氏體化過程中，奧氏體晶粒尺寸長大而形成的．

(a)950℃；(b)1 000℃；(c)1 050℃；(d)1 100℃圖3　H13鋼淬火后金相組織

為了進(jìn)一步觀察不同溫度淬火下H13鋼的組織，對試樣做了掃描電鏡分析．圖4所示為通過電鏡掃描觀察到的分別在950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃爐中保溫1.5 h后在油中淬火所得的顯微組織．通過觀察發(fā)現(xiàn)，H13鋼在在950℃淬火時，其未溶碳化物的尺寸大小不一，最大的碳化物可以達(dá)到十幾個微米，當(dāng)提高淬火溫度到1 000℃時，未溶的碳化物的尺寸較小，但也存在個別的大尺寸碳化物．其主要原因是在較低的溫度下進(jìn)行保溫，奧氏體成分還沒有足夠均勻化，碳化物溶解較少，尤其是大尺寸的碳化物熔解不充分，導(dǎo)致淬火后碳化物組織不均勻；而在1 050℃和1 100℃淬火后，碳化物進(jìn)一步得到了減少，其中在1 050℃淬火組織碳化物均勻，而在1 100℃淬火組織中只存在少量的碳化物，且碳化物的尺寸只有幾個微米．

(a)950℃；(b)1 000℃；(c)1 050℃；(d)1 100℃圖4　H13鋼淬火后掃描電鏡組織

在900℃～1 180℃的溫度范圍，碳化物的含量隨著溫度的升高而下降，當(dāng)溫度達(dá)到1 180℃時，碳化物全部固溶進(jìn)奧氏體中[5]．研究表明，隨著淬火溫度的提高，碳化物溶解得更加充分，當(dāng)淬火溫度為1 100℃，保溫時間為1.5 h時，H13鋼的中碳化物幾乎全部溶解．雖然這會提高組織的穩(wěn)定性，但是在后續(xù)的回火過程中，不利于碳化物的析出從而強(qiáng)化組織.因為，淬火過程中未溶解的碳化物可以作為回火過程中碳化物析出的形核質(zhì)點，且過高的淬火溫度還會導(dǎo)致奧氏體晶粒的長大，當(dāng)淬火溫度高于1 070℃時，奧氏體晶粒有明顯的長大[6]．因此從組織上分析，本文選取淬火溫度1 050℃，保溫1.5 h為淬火工藝，可以保證奧氏體化過程中晶粒不急劇長大，一部分溶解的碳化物可以提高組織的穩(wěn)定性、淬透性和淬硬性，未溶解的分布均勻、細(xì)小的碳化物可以作為后續(xù)回火時的碳化物析出形核質(zhì)點．

2.2淬火溫度對H13鋼硬度的影響

圖5為淬火溫度對H13鋼硬度的影響，由圖可知，隨著淬火溫度的升高，H13鋼的硬度也隨之增大，其主要原因是：一方面是淬火溫度增加，冷卻速度得到了提高，組織中形成的馬氏體含量增加，硬度提高；另一方面原因是隨著淬火溫度的提高加速了合金碳化物的溶解，使淬火后馬氏體中的碳和合金元素增加，從而提高H13鋼的淬透性和淬硬性，淬火后的硬度自然得到了提高．當(dāng)淬火溫度為1 100℃時，H13鋼的硬度最大，這對提高H13鋼的耐磨性是有利的，但是在該鋼的基體上出現(xiàn)了裂紋，如圖6所示．因此，本文研究的4個淬火溫度，在保證硬度的同時又不出現(xiàn)裂紋，選取1 050℃是合適的．

圖5　H13鋼硬度和淬火溫度的關(guān)系

圖6　H13鋼中的裂紋

2.3淬火溫度對回火組織的影響

對熱作模具鋼H13來說，碳化物細(xì)小均勻分布在基體上，對組織的強(qiáng)化是有利的，因此要求淬火后進(jìn)行后續(xù)的回火處理，使淬火熔解的碳化物有一部分從新彌散析出，產(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)象．研究表明，采用同樣的回火工藝進(jìn)行二次回火后，其組織更加穩(wěn)定和均勻，且硬度適中，有利于提高熱擠壓模具的使用壽命[7-9]，回火馬氏體基體及其上分布的碳化物是決定H13鋼力學(xué)性能的本質(zhì)因素[10-12]．圖7為經(jīng)過600℃，保溫1.5 h，不同淬火溫度對二次回火組織的影響(1 100℃淬火形成裂紋，不分析該熱處理回火組織)．

(a)950℃；(b)1 000℃；(c)1 050℃圖7　H13鋼淬火二次回火后的金相組織

對比圖3和圖7發(fā)現(xiàn)，950℃為回火后的組織，為回火馬氏體+殘余奧氏體+少量的鐵素體+碳化物，回火組織中的碳化物顆粒較大，有的碳化物還成鏈狀分布，這是由于淬火溫度過低，碳化物熔解不充分，從而影響了回火時碳化物的彌撒析出，且在回火組織中還發(fā)現(xiàn)了少量的鐵素體，這是由于奧氏體化不充分造成的．1 000℃淬火+回火后的組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，此時析出的碳化物尺寸區(qū)別較大，不利于性能的均勻性．1 050℃淬火+回火后的組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，碳化物彌撒析出，尺寸差別小，且分布均勻，回火馬氏體中還有少量的板條狀馬氏體，這些都有利于H13鋼綜合性能的提高．圖8為淬火+回火后的硬度，隨著淬火溫度的提高硬度提高，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，淬火溫度提高，熔解在基體中的合金元素越多，淬硬性得到了提高．

(a)950℃；(b)1 000℃；(c)1 050℃圖8　H13鋼淬火二次回火后的硬度

3結(jié)論

1)在高溫正火+球化退火的預(yù)備熱處理的基礎(chǔ)

上進(jìn)行了淬火+回火的最終熱處理，隨著淬火溫度的提高，溶解的合金碳化物增多，未溶解的碳化物尺寸變小，當(dāng)淬火溫度為1 100℃，保溫1.5 h，合金碳化物幾乎全部溶解．

2)淬火溫度越高，溶解的合金碳化物越多，熔入基體的合金和碳提高了H13鋼淬硬性，淬火硬度隨著淬火溫度的提高而提高．對淬火組織進(jìn)行了二次回火，回火后的硬度較淬火硬度低．隨著淬火溫度的提高，回火析出的碳化物更加細(xì)小均勻，回火組織以回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物為主，只有在950℃較低的淬火溫度下出現(xiàn)少量的鐵素體組織．

3)通過對回火組織和硬度的分析，對H13的淬火+回火最終熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化工藝方案為淬火溫度1 050℃，保溫1.5 h，油淬，回火溫度600℃，保溫1.5 h．

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[責(zé)任編輯張莉]

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure of H13 Steel

Ye Xicong1Cheng Jun1,2Wu Binbin1Yan Li1Huang Caihua1

(1. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Xiangyang Heavy Equipment Material Co., Ltd., Wuhan Iron and Steel Group, Xiangyang 441103, China)

AbstractThe high-temperature normalizing + spheroidizing annealing preliminary heat is used for H13; and then the annealing structure is obtained with carbide distribution； the nodularity is higher than 95%. The effect of quenching temperature on the microstructure and mechanical properties of H13 steel is researched. The research results show that： with the increase of quenching temperature, alloy carbide solubility increased, and undissolved alloy carbides became finer. With the increase of quenching temperature, the solubility of alloy carbides is increase; and carbon content and alloy content are increased on base, which will enhanced the hardenability and quenching degree of H13 steel; and quenching hardness increased with the quenching temperature increasing. When the quenching temperature is 1 100℃, insulation 1.5 h, alloy carbide is almost completely dissolved. The two times tempering is used for quenching structure; and the fusible carbide precipitates are separated out again with fine and uniform precipitation of carbides. With the increase of quenching temperature, the hardness is increased; and carbide becomes finer and uniform.

KeywordsH13 steel；heat treatment；quenching；microstructure；tempering

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No：21377067，21207079，21177072)

收稿日期：2014-04-08

中圖分類號：TG156.31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0100-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.021

通信作者：葉喜蔥(1981-)，男，副教授，博士，主要研究方向為金屬精密成形技術(shù)及組織研究．E-mail：yexc@ctgu.edu.cn