改善H13系列熱作模具扁鋼退火組織的工藝研究

孫盛宇，付 博，趙騰飛，葉世圣

（1.東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105；2.東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司第二軋鋼廠，遼寧大連 116105）

1 引言

H13鋼是全球范圍內(nèi)使用最普遍的熱作模具鋼之一，該鋼具有優(yōu)異的淬透性、淬硬性、耐磨性、高溫強(qiáng)韌性、抗熱疲勞性以及穩(wěn)定優(yōu)良的機(jī)加工性和拋光性，被廣泛用于制作鋁合金壓鑄模具、擠壓模具和熱鍛模具等。

由于H13鋼中的強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V含量較高，在鋼錠澆注過程中易形成枝晶偏析，在枝晶間最后凝固殘液內(nèi)富集著碳和鉻等溶質(zhì)元素，凝固析出大量碳化物，在鍛軋后沿變形方向呈帶狀分布，造成退火組織中出現(xiàn)呈帶狀的碳化物偏析，碳化物帶狀偏析越嚴(yán)重鋼的橫向沖擊功越低，等向性越差[1～2]。在枝晶臂間最后凝固的中心區(qū)域到達(dá)共晶成分時(shí)會(huì)生成一次液析碳化物，分布在晶體內(nèi)粗大的液析碳化物，因自身開裂或與基體界面脫離使材料脆性增大，導(dǎo)致塑性、韌性降低，材料提前失效[3～4]。H13鋼終軋溫度較高時(shí)若在800℃～600℃內(nèi)緩冷或冷卻速度不夠會(huì)大量產(chǎn)生延晶界析出的二次碳化物[5]，形成網(wǎng)狀。這種鏈狀碳化物薄網(wǎng)的存在，削弱了金屬間的結(jié)合力，使晶界弱化，造成裂紋優(yōu)先在碳化物聚集的晶界處形成并沿晶界擴(kuò)展，二次碳化物網(wǎng)越嚴(yán)重，韌性越差[2][4]。

NADCA#207和SEP1614標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)帶狀偏析、液析碳化物和網(wǎng)狀碳化物提供了相應(yīng)的帶狀和組織評(píng)級(jí)圖譜；按這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某廠生產(chǎn)的H13系列扁鋼退火組織進(jìn)行評(píng)定，一次合格率僅為79%，因此為進(jìn)一步提高組織一次合格率有必要對(duì)H13扁鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行梳理、改進(jìn)，本文主要從鋼錠高溫?cái)U(kuò)散、扁鋼軋后冷卻及球化退火等方面的工藝研究進(jìn)行闡述。

2 試驗(yàn)材料及方法

某廠H13系列扁鋼包含多個(gè)牌號(hào)，化學(xué)成分根據(jù)H13進(jìn)行微調(diào)，主要代表牌號(hào)及化學(xué)成分如表1所示。H13系列扁鋼主要工藝路線為EBT+LF+VD→模鑄→鋼錠加熱、軋制開坯→扁鋼軋制成材→球化退火→檢驗(yàn)、精整、包裝入庫。

表1 某廠H13系列代表牌號(hào)與化學(xué)成分 %

本文以H13鋼為研究對(duì)象，分別按表2的5組工藝進(jìn)行試驗(yàn)，每組工藝試驗(yàn)1個(gè)爐次，錠型均采用4.2t扁錠，扁鋼成品厚度均為35～120mm，在線水霧冷卻強(qiáng)度的變換是通過控制噴水閥門的開關(guān)、噴水強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)輥速和冷卻道次控制最終溫度。退火后扁鋼按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)退火組織及帶狀級(jí)別，金相試樣用4%硝酸酒精腐蝕，用ZEISS AxioImager Z2M光學(xué)顯微鏡分析顯微組織、碳化物類型、形態(tài)。

表2 5組工藝的主要工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

5組工藝的退火組織和帶狀一次合格率如表3所示。

表3 5組工藝的退火組織和帶狀一次合格率 %

4 結(jié)果分析

4.1 帶狀偏析及液析碳化物的改善

表3是5組不同工藝的退火組織和帶狀按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的合格率情況，圖1是5組不同工藝具有代表性的退火組織和帶狀金相照片。檢驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)采用1#和2#加熱工藝，即鋼錠按1,230℃保溫15h時(shí)，帶狀合格率不大于50%，帶狀偏析區(qū)域存在液析碳化物，見圖1a、圖1c所示。當(dāng)按3#～5#工藝將鋼錠加熱溫度提升至1250℃，保溫時(shí)間延長(zhǎng)至30h時(shí)，帶狀全都合格，說明該工藝能夠完全消除液析碳化物，如圖1e、圖1g、圖1i所示。

由圖1c和圖1e可知，隨著加熱溫度的提高，鋼錠的枝晶偏析擴(kuò)散得越充分，偏析程度減弱，但采用1,250℃的加熱溫度無法完全消除帶狀偏析，而當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高到1,300℃并長(zhǎng)時(shí)間保溫，帶狀組織可以消除[6～7]?？紤]到1,300℃高溫?cái)U(kuò)散后組織晶粒異常粗大，氧化嚴(yán)重且晶界局部發(fā)生熔化[7]，生產(chǎn)成本加大，一般采用1,250℃的高溫?cái)U(kuò)散溫度。

由此可見，消除液析碳化物可以通過鋼錠按1,250℃保溫30h的高溫?cái)U(kuò)散工藝消除，帶狀偏析可以較大程度地緩解。

4.2 退火組織均勻性改善

扁鋼終軋溫度大于860℃，軋后冷卻速度低于臨界速度后易發(fā)生珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變并在晶界析出二次碳化物，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀，從圖2 H13鋼樣棒的CCT曲線可知，虛線為二次碳化物析出線，當(dāng)冷卻速度提高到只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)可以避免形成珠光體、貝氏體組織及網(wǎng)狀碳化物?？紤]規(guī)格影響，為保證厚規(guī)格在冷卻前期的降溫速度，必須增大冷卻強(qiáng)度，而冷卻強(qiáng)度不是越大越好還需考慮鋼材的冷卻變形、冷卻最終溫度等因素。由于是在軋制線上直接冷卻，冷卻設(shè)備有寬度限制，若冷卻變形較大，扁鋼彎曲嚴(yán)重會(huì)引起卡鋼；當(dāng)冷卻強(qiáng)度及時(shí)間控制不當(dāng)，冷卻最終溫度低于100℃時(shí)，扁鋼端頭開裂率急劇上升，嚴(yán)重者出現(xiàn)斷裂。而在線水霧冷②工藝很好的解決了上述問題。

圖1 5組工藝的退火組織及帶狀

由工藝1#的組織合格率（0%）和工藝2#、3#的組織合格率（75%和68%），可知扁鋼軋后在線水霧冷①工藝對(duì)組織合格率提升有顯著作用，從工藝1#的金相組織圖1b可知退火組織中存在珠光體組織，級(jí)別為AS15。在線水霧冷①工藝是通過軋線后部的預(yù)硬化設(shè)備對(duì)扁鋼進(jìn)行噴水噴霧操作起到快速冷卻的效果。經(jīng)水霧冷①工藝處理的金相組織具有較明顯的貝氏體轉(zhuǎn)變特征如圖1d、圖1f所示，組織中網(wǎng)狀碳化物較少，但出現(xiàn)比較明顯的白色區(qū)域。

另外需要說明的是采用水霧冷①工藝出現(xiàn)組織不合的規(guī)格集中在厚度大于80mm范圍內(nèi)，這是由于不同規(guī)格在對(duì)應(yīng)冷卻道次的設(shè)置參數(shù)是一樣的，即不同規(guī)格的第1道次或第2道次或第3道次的冷卻強(qiáng)度是相同的，不同規(guī)格冷卻工藝的差異僅體現(xiàn)在冷卻道次的數(shù)量上。在相同的冷卻強(qiáng)度下，厚規(guī)格的冷卻速度低于薄規(guī)格，因此厚規(guī)格發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，經(jīng)過退火后，部分貝氏體特征保留在組織中。

圖2 H13鋼棒樣CCT曲線

采用工藝4#生產(chǎn)的H13扁鋼的組織合格率進(jìn)一步提升至95%，主要組織合格級(jí)別如圖1h所示，評(píng)級(jí)為AS6，組織中的粒狀碳化物較均勻地分布在鐵素體上，明顯的白色區(qū)域已消失。工藝4#的在線水霧冷②工藝針對(duì)不同規(guī)格組距的不同冷卻道次設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冷卻參數(shù)，在相同冷卻道次上，厚規(guī)格的冷卻強(qiáng)度大于薄規(guī)格，在同一規(guī)格組距內(nèi)，前一道次的冷卻強(qiáng)度大于后一道次。

工藝5#將退火工藝中750℃等溫段保溫時(shí)間延長(zhǎng)了4h，從圖1j金相組織可以看出碳化物球化效果更好，分布更加均勻。

5 結(jié)論

（1）加熱溫度1,250℃，延長(zhǎng)高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間至30h可以改善帶狀、液析碳化物。

（2）提高軋后冷卻速度，根據(jù)成品厚度規(guī)格設(shè)置不同的冷卻工藝，可以改善退火組織均勻性。

（3）延長(zhǎng)750℃等溫球化的保溫時(shí)長(zhǎng)可進(jìn)一步提升退火組織均勻性。