熱作模具鋼熱處理工藝研究

王維寧 趙學(xué)文 趙凱兵

(1.齊齊哈爾理工職業(yè)學(xué)院，黑龍江161042；2.中國(guó)一重集團(tuán)有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江160142)

H13熱作模具鋼是目前應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼的典型鋼種之一，主要用于鋁合金壓鑄模、熱鍛壓模和熱擠壓模。H13鋼對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)牌號(hào)為4Cr5MoSiV1。H13鋼中含有大量的Cr、Mo、V等合金元素，具有高熱強(qiáng)性、耐熱性和淬透性[1]。H13鋼的球化組織級(jí)別是評(píng)價(jià)H13鋼質(zhì)量等級(jí)的主要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)SEP 1614：1996和NADCA 207：2003是評(píng)價(jià)組織的重要參考依據(jù)，通過(guò)比對(duì)實(shí)際組織與評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖譜來(lái)判斷組織優(yōu)劣程度，良好的退火組織也是獲得H13鋼高韌性的必要條件，而熱處理工藝參數(shù)是決定組織與性能的關(guān)鍵因素。

隨鍛件直徑增大，獲得優(yōu)良組織的難度也隨之增加。為鞏固和擴(kuò)大H13熱作模具鋼的市場(chǎng)，對(duì)最大直徑?1000 mm電渣重熔熱作模具鋼H13鍛件進(jìn)行生產(chǎn)試制，根據(jù)試制結(jié)果，制定的系列熱處理模擬試驗(yàn)確定了保證組織級(jí)別的熱處理優(yōu)化工藝方案，消除了碳化物偏析，細(xì)化和均勻了碳化物進(jìn)而提高了組織級(jí)別。

1 技術(shù)要求

1.1 交貨方式

球化退火狀態(tài)交貨。

1.2 化學(xué)成分

化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions(mass fraction,%)

1.3 冶煉方法

電爐+真空精煉+電渣重熔。

1.4 鍛造

鍛造采用鐓粗+拔長(zhǎng)工藝，鐓粗比≥2，總鍛比≥6。

1.5 硬度

球化退火硬度要求≤228HBW，同一根鋼棒不同部位的硬度偏差不得大于30HBW。

1.6 顯微組織

在棒材心部取樣，500倍下檢驗(yàn)退火顯微組織，按SEP 1614:1996標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)定，GA1、GA2、GA3、GA4、GB1、GB2、GB3、GB4、GC1、GC2、GD1為合格級(jí)別。

1.7 晶粒度

試樣在保護(hù)性介質(zhì)中經(jīng)1030℃±10℃，保溫30 min，然后快冷淬火，≥590℃回火。晶粒度合格級(jí)別按GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)≥7級(jí)。

1.8 橫向沖擊試驗(yàn)

鋼材應(yīng)檢驗(yàn)心部橫向沖擊，采用7 mm×10 mm×55 mm的無(wú)缺口試樣。試樣尺寸偏差7 mm±0.100 mm、10 mm±0.100 mm、55 mm±1.00 mm。試樣經(jīng)1030℃保溫30 min，油冷，至少回火兩次，保證硬度45HRC±2HRC。心部橫向無(wú)缺口沖擊吸收能量按一組三個(gè)試樣取平均值計(jì)算，沖擊吸收能量平均值≥220 J，并允許其中一個(gè)試樣單個(gè)最小值≥170 J。

2 熱處理試制過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 熱處理試制工藝

圖2 試制的顯微組織Figure 2 Microstructure of trial production

公司首次制造H13電渣重熔熱作模具鋼，無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，試制工藝按公司現(xiàn)有熱處理規(guī)范執(zhí)行，見(jiàn)圖1。

圖1 熱處理試制工藝Figure 1 Trial production process of heat treatment

2.2 試制結(jié)果

試制結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試制結(jié)果及判定Table 2 Trial-production results and judgment

2.3 試制結(jié)果分析

熱處理試制后硬度、晶粒度和沖擊吸收能量均合格，而顯微組織GC4級(jí)不合格，說(shuō)明熱處理試制工藝滿足不了H13鋼的技術(shù)要求。組織不合格主要表現(xiàn)在局部顯微組織存在網(wǎng)狀碳化物、帶狀碳化物和鏈狀碳化物以及碳化物大小和形態(tài)分布不均勻。網(wǎng)狀、帶狀及鏈狀碳化物通常能夠遺傳到鋼的球化和回火狀態(tài)中，對(duì)鍛件的心部橫向沖擊韌性會(huì)造成影響，其產(chǎn)生的主要原因是未對(duì)等溫退火前的組織進(jìn)行預(yù)處理，不均勻的鍛后組織保留了下來(lái)[2]。碳化物分布不均的主要原因是球化工藝參數(shù)不合理造成的。

3 優(yōu)化熱處理工藝方案

3.1 成分內(nèi)控方案

H13鋼是一種空冷硬化熱作模具鋼，含有大量的Cr、Mo、V等元素，屬于過(guò)共析鋼。根據(jù)各元素對(duì)H13鋼性能的影響制定成分內(nèi)控方案(見(jiàn)表3)，C控制在中限，Si、Mn控制在中上限，P≤0.010%、S≤0.003%，較低的P、S含量可改善橫向沖擊性能，Cr、Mo在中上限，V中下限，用于控制鋼的韌性和偏析水平，另外采用電渣重熔的生產(chǎn)方式對(duì)控制H13鋼純凈度、組織均勻性等具有很重要的作用，是生產(chǎn)高品質(zhì)H13的重要環(huán)節(jié)。

3.2 熱處理工藝方案制定

為制定出合理的H13鋼鍛后熱處理工藝，根據(jù)H13鋼相變點(diǎn)及轉(zhuǎn)變曲線制定出多組熱處理工藝模擬參數(shù)，并根據(jù)模擬結(jié)果制定出優(yōu)化的熱處理工藝方案，見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化后的熱處理工藝Figure 3 Optimized heat treatment process

優(yōu)化熱處理工藝采用較高的正火預(yù)備熱處理+球化退火，該工藝與試制工藝相比，主要優(yōu)化方面有：

(1)增加1020～1040℃高溫正火預(yù)備熱處理。正火高溫段為組織的均勻化和碳化物溶解過(guò)程，用于溶解鍛件中的網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物和消除碳化物的不均勻性，特別是沿晶鏈狀碳化物充分溶入奧氏體。H13鋼在該溫度保溫較長(zhǎng)時(shí)間并不發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象，同時(shí)使得原始組織中碳化物部分溶解，并保留一部分未溶碳化物質(zhì)點(diǎn)，有利于后續(xù)球化處理。

圖4 試制的顯微組織(×500)Figure 4 Microstructure of trial production(×500)

高溫正火后冷卻方式為吊下臺(tái)車空冷，正火空冷不至于使得坯料在冷卻過(guò)程中因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，空冷時(shí)單獨(dú)散開(kāi)擺放使鍛件內(nèi)部溫度盡快返到外部，保持內(nèi)部溫度快速降低，同時(shí)封爐冷和低溫保持段使得部分溶解進(jìn)基體的合金碳化物重新析出。

(2)球化等溫退火由730℃±10℃降為720℃±10℃且不得超過(guò)730℃，并適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。H13鋼的球化退火主要是在前一過(guò)程中形成的大量均勻分布的合金碳化物質(zhì)點(diǎn)的前提下，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可在基體上均勻分布更多球狀小顆粒Fe3C或碳化物。球狀碳化物的顆粒越小，分布越均勻，越容易獲得良好的球化組織。等溫溫度超過(guò)730℃時(shí)，碳化物有粗化傾向。

3.3 生產(chǎn)過(guò)程管控

熱處理時(shí)合理裝爐，保證爐內(nèi)鍛件溫度的均勻，冷卻時(shí)及時(shí)吊下單獨(dú)散開(kāi)擺放，確保獲得最佳的加熱和冷卻效果。

4 取得的實(shí)際效果

4.1 產(chǎn)品結(jié)果

熱處理優(yōu)化后的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 熱處理優(yōu)化后的結(jié)果及判定Table 4 Results and judgment after heat treatment optimization

4.2 分析與討論

經(jīng)過(guò)高溫正火預(yù)備處理+球化退火的工藝后，硬度、顯微組織、晶粒度和沖擊吸收能量均合格，?1000 mm直徑H13鋼碳化物彌散程度及顆粒尺寸分布有了較大的提高，消除了網(wǎng)狀、帶狀及鏈狀碳化物，退火組織達(dá)到GA2級(jí)高水平級(jí)別，球化效果明顯；退火硬度也由180HBW降到165HBW；晶粒度由7級(jí)提升為8級(jí)；特別是7 mm×10 mm×55 mm的無(wú)缺口試樣沖擊吸收能量由254 J提高至350 J，提高了38%。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于H13熱作模具鋼，應(yīng)采用高溫正火預(yù)備處理+球化退火的鍛后熱處理工藝，可獲得球狀珠光體+細(xì)小彌散均勻分布的粒狀碳化物組織。

(2)H13鋼最佳的高溫正火溫度為1030℃±10℃，最佳的球化等溫溫度為720℃±10℃。

(3)良好的球化退火組織是獲得H13鋼高韌性的必備條件。