國(guó)內(nèi)外H13鋼組織和性能對(duì)比分析

佟 倩 馬 躍 孫齊松 彭仕江 黃 祥 李玉全

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.首鋼貴陽(yáng)特殊鋼有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)模具工業(yè)迅速發(fā)展，熱作模具鋼研究也取得了較大的進(jìn)展，不僅在研制新型模具鋼方面做了大量工作，對(duì)部分國(guó)外優(yōu)良熱作模具鋼也進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研究，為市場(chǎng)提供了質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的模具鋼［1-3］。但能實(shí)際推向市場(chǎng)廣泛應(yīng)用的相對(duì)較少，目前占市場(chǎng)主導(dǎo)地位的依然是從國(guó)外引進(jìn)的H13系列通用型熱作模具鋼。

H13鋼是一種空冷硬化型的熱作模具鋼，是國(guó)外在4Cr5MoSiV鋼的基礎(chǔ)上提高了鉬和釩的含量而形成的鋼種，其600～650℃的強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性均較好［4］。本文從微觀組織和力學(xué)性能等方面對(duì)進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)H13鋼進(jìn)行對(duì)比分析，找出二者之間的質(zhì)量差距及產(chǎn)生差距的原因，為提高國(guó)產(chǎn)熱作模具鋼的質(zhì)量提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為尺寸φ140 mm×500 mm的退火態(tài)H13圓鋼，通過(guò)GDS850A型輝光光譜儀測(cè)得兩種鋼的化學(xué)成分如表1所示。首先采用HB-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)量退火態(tài)試樣的硬度，然后將試樣在1 020℃奧氏體化保溫1 h后油淬，在560℃回火2次，每次2 h，再采用LC-200R型洛氏硬度計(jì)測(cè)量淬火及回火態(tài)試樣的硬度。在圓鋼端面心部切取10 mm×10 mm×55 mm V型缺口（深 2 mm）縱、橫向沖擊試樣各 3個(gè)，采用ZBC2452-3型沖擊試驗(yàn)機(jī)（擺錘能量為750 J）按北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA＃207—2003進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。

熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的試樣尺寸為10mm×10mm×15 mm。將試樣經(jīng)1 020℃奧氏體化保溫1 h后油淬，然后分別在560和540℃回火2次，每次2 h，將試樣硬度調(diào)整到（52±1）HRC，再在600℃分別保溫2、4、6、15和20 h，測(cè)量室溫硬度。試樣經(jīng)研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用DMI5000M型金相顯微鏡、JSM-7001F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析試樣的顯微組織。采用萃取復(fù)型技術(shù)制取碳膜，在JEM-2100F型透射電鏡（TEM）下觀察碳化物形貌，并利用能譜儀進(jìn)行成分分析。

表1 國(guó)內(nèi)外H13鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of H13 steels at home and abroad（mass fraction） %

從表1可以看出，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼的化學(xué)成分均滿足北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA＃207—2003的要求；兩種鋼中除了Cr含量差別較大，其余成分接近，進(jìn)口H13鋼的Cr含量偏上限值，國(guó)產(chǎn)H13鋼的Cr含量偏下限值。有研究表明［5］，當(dāng)鋼中含鉻、鉬和釩、且 w（Cr）＞3%時(shí)，Cr能阻止V4C3的生成和推遲Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強(qiáng)度和抗回火性的強(qiáng)化相，這種交互作用能提高鋼的耐熱變形性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼退火態(tài)的顯微組織如圖1所示。從圖中可以看出，進(jìn)口H13鋼中碳化物細(xì)小、彌散，而國(guó)產(chǎn)H13鋼的碳化物尺寸略大，分布稀疏，少量偏析在晶界處。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在同樣的視場(chǎng)條件下，進(jìn)口H13鋼中碳化物粒子數(shù)為1.68個(gè)／μm2，平均尺寸為0.26μm，尺寸大于1μm的碳化物占比為0.7%；國(guó)產(chǎn)H13鋼中碳化物粒子數(shù)為0.56個(gè)／μm2，平均尺寸為0.36μm，尺寸大于1μm的碳化物占比為4.3%。

圖1 國(guó)內(nèi)外H13鋼退火態(tài)組織Fig.1 Microstructures of as-annealed H13 steels at home and abroad

2.2 硬度

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的不同熱處理態(tài)H13鋼的硬度如表2所示。從表中可見(jiàn)，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)退火態(tài)H13鋼的硬度都滿足國(guó)標(biāo)的要求（≤229 HBW），且進(jìn)口H13鋼退火態(tài)、淬火及回火態(tài)試樣的硬度均高于國(guó)產(chǎn)H13鋼。

表2 國(guó)內(nèi)外不同熱處理態(tài)H13鋼的硬度Table 2 Hardness of H13 steels in different states at home and abroad

2.3 室溫沖擊性能

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)退火態(tài)H13鋼的室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼退火態(tài)試樣的沖擊吸收能量橫-縱比分別為0.82和0.66。

選取橫向沖擊吸收能量最低的試樣進(jìn)行對(duì)比，其缺口根部纖維區(qū)形貌如圖3所示。從沖擊斷口形貌可以看出，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的H13鋼都屬于典型的解理斷裂。進(jìn)口H13鋼的解理斷裂單元尺寸顯著小于國(guó)產(chǎn)H13鋼，這表明進(jìn)口H13鋼斷裂時(shí)所吸收能量要遠(yuǎn)大于國(guó)產(chǎn)H13鋼，其原因是晶界作為解理微裂紋傳播的阻礙，增加了斷裂的難度。正如沖擊試驗(yàn)結(jié)果所示，進(jìn)口H13鋼的沖擊吸收能量遠(yuǎn)大于國(guó)產(chǎn)H13鋼。

表3 國(guó)內(nèi)外退火態(tài)H13鋼的室溫沖擊吸收能量Table 3 Room-temperature impact absorption energies of as-annealed H13 steels at home and abroad

圖3 國(guó)內(nèi)外退火態(tài)H13鋼的沖擊斷口掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of impact fractures of as-annealed H13 steels at home and abroad

2.4 熱穩(wěn)定性

熱鍛模具鋼用于制造高溫狀態(tài)下壓力加工的模具。隨著高速、強(qiáng)負(fù)荷、高精密模鍛設(shè)備和高強(qiáng)韌性鍛件的普遍應(yīng)用，熱鍛模服役條件更加惡劣，同時(shí)金屬坯料鍛造溫度通常都在1 000℃以上，使熱鍛模具工作型腔表面溫度高達(dá)600℃，型腔內(nèi)個(gè)別處因瞬時(shí)沖擊力及摩擦力的影響，其溫度可達(dá)700℃以上［6-8］。因此，熱穩(wěn)定性能是熱鍛模具鋼選材的一個(gè)重要依據(jù)。

圖4為國(guó)內(nèi)外H13鋼在600℃保溫時(shí)的熱穩(wěn)定性曲線?？梢?jiàn)進(jìn)口H13鋼在600℃保溫過(guò)程中的硬度始終高于國(guó)產(chǎn)H13鋼。保溫20 h后，進(jìn)口H13鋼的硬度仍達(dá)到30HRC以上，而國(guó)產(chǎn)H13鋼的硬度已經(jīng)降低到27 HRC，不能滿足熱作模具服役過(guò)程中對(duì)硬度的要求，因此進(jìn)口H13鋼的熱穩(wěn)定性優(yōu)于國(guó)產(chǎn)H13鋼。

圖4 國(guó)內(nèi)外H13鋼在600℃保溫時(shí)的熱穩(wěn)定性曲線Fig.4 Thermal stability curves of H13 steels holding at 600℃at home and abroad

2.5 淬火及回火組織

有研究表明［9］，馬氏體熱作模具鋼中回火馬氏體基體及其中的碳化物分布是決定熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中材料抗回火性能的主要因素。

淬火過(guò)程中大多數(shù)合金元素固溶于基體，在回火過(guò)程中從馬氏體基體中彌散析出，起彌散強(qiáng)化的作用。由圖5（a）和5（b）可見(jiàn)，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼的淬火及回火態(tài)組織都是典型的板條馬氏體和均勻分布的碳化物。在600℃保溫20 h后，進(jìn)口H13鋼的馬氏體基體在長(zhǎng)時(shí)間的保溫過(guò)程中發(fā)生回復(fù)，板條寬度明顯增大，但仍能保持馬氏體的形貌，基體中碳化物粗化，如圖5（c）所示；國(guó)產(chǎn)H13鋼中馬氏體板條形貌基本消失，碳化物嚴(yán)重粗化，如圖5（d）所示。因此，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼中均發(fā)生了馬氏體回復(fù)和碳化物粗化的現(xiàn)象，從而很好地解釋了圖4熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過(guò)程中硬度下降的原因。

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼經(jīng)過(guò)600℃保溫20 h后的TEM照片和EDS能譜分析分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)H13鋼中的碳化物均發(fā)生了粗化，并出現(xiàn)了較大的圓形碳化物，經(jīng)能譜分析為V和Cr的碳化物。國(guó)產(chǎn)H13鋼中500 nm以上大顆粒碳化物數(shù)量與進(jìn)口H13鋼差不多，但100 nm以下細(xì)小碳化物的數(shù)量則明顯減少。這些細(xì)小的析出相可以起彌散強(qiáng)化作用進(jìn)而提高材料的性能。

圖5 國(guó)內(nèi)外H13鋼淬火及回火態(tài)組織Fig.5 Microstructures of quenched and tempered H13 steels at home and abroad

圖6 進(jìn)口H13鋼經(jīng)600℃保溫20 h后的TEM照片及EDS能譜分析Fig.6 TEM photo and EDS analysis of the imported H13 steel after tempering at600℃ for 20 h

馬氏體熱作模具鋼的回火軟化可看作由碳和碳化物形成元素從過(guò)飽和馬氏體向外的擴(kuò)散，及基體缺陷結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常而造成的碳化物顆粒析出和粗化過(guò)程［10］。進(jìn)口H13鋼中馬氏體板條結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、小尺寸碳化物大量存在且彌散分布是其在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異回火抗力的主要原因。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知，國(guó)產(chǎn)H13鋼在工藝設(shè)計(jì)和成分控制上還有欠缺。硬度、室溫沖擊性能和熱穩(wěn)定性均不如進(jìn)口鋼的主要原因在于碳化物的存在形式有差異。國(guó)產(chǎn)H13鋼中碳化物尺寸大、分布稀疏，存在偏析，而進(jìn)口H13鋼中碳化物細(xì)小彌散。進(jìn)口H13鋼經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間回火后，馬氏體板條結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、小尺寸碳化物多且彌散分布，表現(xiàn)出優(yōu)異回火抗力。