釩對H13鋼熱穩(wěn)定性的影響

黃 山 ，吳日銘 ，胡 濤 ，陳 蒙

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201600；2.上海市激光先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201600）

0 引 言

隨著我國模具行業(yè)的快速崛起，對模具鋼使用性能的要求越來越高。H13鋼是一種中碳、中鉻模具鋼，廣泛應(yīng)用于壓鑄模、熱鍛模、熱擠壓模等[1]。H13鋼常在高溫環(huán)境下使用，故需要在高溫下保持良好的強度、硬度、抗軟化能力[1,2]，即模具鋼需要良好的熱穩(wěn)定性能。

目前H13鋼在熱作模具鋼市場中需求較大，由于其具有良好的綜合力學(xué)性能和抗熱疲勞性能，適用于多種工況。但工作溫度超過600℃時，H13鋼微觀上析出粗大碳化物[1]，宏觀上抗回火軟化能力急劇下降，因而更高溫度工況下應(yīng)使用熱穩(wěn)定性更好的模具鋼[2]。有研究表明，V是強碳氮化物形成元素，在回火過程中固溶的V在鐵素體中以V（C,N）的形式析出[3]。同時VC型碳化物細(xì)小彌散、穩(wěn)定性高，能在700℃時穩(wěn)定存在且不易聚集長大、粗化，顯著提高二次硬化作用，對高溫回火中α相的再結(jié)晶晶粒的長大也有抑制作用[3-6]。因此，合金元素V具有較強的細(xì)晶強化和析出強化作用，且微量V就能顯著增強模具鋼的高溫強韌性、回火穩(wěn)定性。但是有研究發(fā)現(xiàn)[6-8]，過多的V固溶于基體中，會產(chǎn)生許多大顆粒未溶碳化物，導(dǎo)致鋼的韌性下降，使鋼的切削加工性能惡化，増加鋼的脆性；另一方面，添加過多的V會使鋼的回火軟化加快，強度降低，使鋼的強韌性都降低；此外，由于V價格高昂，添加過多的V還會使生產(chǎn)成本增高。在研究鉬（Mo）對模具鋼影響時發(fā)現(xiàn)，添加Mo的鋼在基體與析出相界面上的析出會抑制碳化物粗化[9,10]，故可在H13鋼基礎(chǔ)上提高M(jìn)o的含量，進(jìn)一步控制碳化物粗大的影響。

基于以上分析，在H13鋼合金成分基礎(chǔ)上設(shè)計添加不同的V含量，分別為不含V的A1鋼、含0.55%V的A2鋼以及含1.0%V的H13鋼。通過熱穩(wěn)定數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合 JMA（Johnson-Mehl-Avrami）方程研究V對H13鋼回火抗力影響，分析不同V含量時回火保溫前后過程的顯微組織差異，探究了V對H13鋼熱穩(wěn)定性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用真空感應(yīng)熔煉爐制備20 kg/支的試驗鋼錠，退火后去除表面氧化皮和縮孔；采用天然氣加熱爐將坯料加熱至1 240℃并保溫2 h，三向鍛打至24 mm×55 mm的鋼條后進(jìn)行退火+調(diào)質(zhì)處理。試驗鋼實測的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試樣鋼合金成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗方法

從各鋼條上切取9塊尺寸為20 mm×20 mm×24 mm的鋼塊，將試驗鋼進(jìn)行1 040℃油淬后，分別以350、400、450、500、530、560、590、620、650 ℃回火2 h，然后按照GB/T 230.1—2018檢測標(biāo)準(zhǔn)測試試驗鋼不同回火溫度下的洛氏硬度值。

從各鋼條上切取1塊尺寸為25 mm×25 mm×24 mm的鋼塊，將試驗鋼采用1 040℃油淬后，在600℃下進(jìn)行回火，每次回火2 h，通過對試驗鋼進(jìn)行長時間回火探究其回火軟化趨勢。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 回火溫度與硬度曲線

H13、A1和A2鋼的不同回火溫度與硬度的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可以看出，H13、A1和A2鋼均存在二次硬化現(xiàn)象，且硬化峰值均在530℃左右。O G SOKOLOV等[10]指出，含Nb、Ti和V的鋼在525～550℃回火后達(dá)到最大硬度，與圖1中含V鋼二次硬化峰的回火溫度相符，說明添加V會使熱作模具鋼二次硬化現(xiàn)象更加明顯。同時在500～525℃回火后，Mo、W和Cr合金化的鋼可達(dá)到最大硬度，提高了二次硬化，不含V的A1鋼因為含大量Mo，故而二次硬化峰值也接近530℃。然而，隨著V含量提高，在620℃高溫回火下，H13鋼硬度下降比A2鋼更快，根據(jù)研究Mo可以得出[3,9]，Mo含量的增加可以提高高溫回火穩(wěn)定性，說明由于Mo含量的提高，使620℃高溫回火下A2鋼硬度下降比H13鋼慢。峰值前回火，H13鋼硬度比A2鋼高2 HRC、比A1鋼高5 HRC；達(dá)到峰值后回火，H13鋼硬度略低于A2鋼，比A1鋼硬度高2 HRC。

圖1 回火溫度與硬度關(guān)系曲線

2.2 V對熱穩(wěn)定性的影響

H13、A1和A2鋼在600℃下長時間回火保溫，通過測定回火下的試驗鋼硬度反映試驗鋼在高溫工作下熱穩(wěn)定性優(yōu)劣。圖2所示為600℃熱穩(wěn)定性曲線，由圖2可知，在保溫2 h后A2鋼硬度始終高于H13和A1鋼，且在回火保溫20 h過程中，A2鋼硬度降低最少、下降平緩，說明A2鋼熱穩(wěn)定性能最好。由回火保溫前6 h可以發(fā)現(xiàn)，H13鋼和A1鋼硬度值下降較多，且A1鋼硬度值降低幅度最大，說明H13鋼和A1鋼在高溫回火下抗回火能力較差，熱穩(wěn)定性比A2鋼差，故證明0.55%V的A2鋼在600℃高溫下具有較好的熱穩(wěn)定性。1.0%V的H13鋼和0.55%V的A2鋼相比，添加過多的V反而會降低鋼的回火穩(wěn)定性，使鋼的強度、硬度都降低。因此，在H13鋼中降低V含量，選擇合適V含量的合金化設(shè)計，可以保證模具鋼在600℃高溫下保持較好的熱穩(wěn)定性。

圖2 600℃熱穩(wěn)定性曲線

2.3 高溫時效動力學(xué)

由WA JOHNSON等[11]和M AVRAMI[12-14]同時提出描述固態(tài)相變受擴散控制的回火動力學(xué)規(guī)律，WATTEP等[15]基于JMA方程提出了回火動力學(xué)規(guī)律方程：

其中，τ為回火率；t為回火時間；n為Avrami指數(shù)；D取決于回火溫度，并遵循Arrhenius方程：

其中，D0為前指數(shù)常數(shù)；Q為回火轉(zhuǎn)變活化能；R為理想氣體常數(shù)（等于8.314 3 kJ·mol-1·K-1）；T為等溫回火溫度，K?；鼗鹇时欢x為：

將測得的硬度值，代入式（3）和式（4），整理結(jié)果如圖3所示。H13、A1和A2鋼在600℃回火20 h后Avrami指數(shù)n分別為0.88、0.71、0.67。依據(jù)克里斯青的計算研究可得[16]，此時n值代表從小尺寸開始的各種形狀的生長，成核率隨時間下降。同時Morgan提出，Avrami指數(shù)的取值可以是1、2、3、4，依賴成核和生長過程，對于纖維（一維）生長，n為1或2[17]。根據(jù)求出的n指數(shù)可知，以上3種鋼在回火過程中是纖維生長。根據(jù)Lifshitz-Slyozoy-Wagner（即LSW）理論，體擴散控制著碳化物的粗化動力學(xué)過程[18,19]。而B A LINDSLEY等指出在馬氏體回火過程中，當(dāng)n值降至0.20～0.23時，碳原子沿著位錯和晶界擴散控制著碳化物粗化［20,21］。有研究表明V對高溫回火中α相的再結(jié)晶晶粒長大有抑制作用，并且優(yōu)先在位錯、晶界以及未溶碳化物附近等析出[4-6]。因此，H13鋼添加V對碳化物粗大有一定的抑制作用，但含V量為1.0%時，n為0.88，H13鋼在回火過程中析出的碳化物粗大，故應(yīng)合理選擇V含量，避免碳化物粗化，進(jìn)一步提高抗回火穩(wěn)定性。

圖3 H13、A1、A2鋼在600℃回火保溫下Avrami指數(shù)n

2.4 微觀組織分析

H13、A1、A2鋼在600℃回火過程中的金相顯微組織分別如圖4～圖6所示，H13鋼、A2鋼在回火2 h后出現(xiàn)馬氏體組織，并且晶粒大小均勻，組織中有碳化物析出，使硬度明顯提高。對比回火2 h的A1鋼，產(chǎn)生大塊狀馬氏體組織，晶粒粗化，使鋼的硬度降低?；鼗?2 h、20 h的A1鋼中，仍然出現(xiàn)粗大碳化物和大塊馬氏體組織，馬氏體的位錯強化和固溶強化效果隨α相的回復(fù)和碳化物析出而不斷減弱，這是試驗鋼硬度降低的主要原因[3]，故碳化物粗大的影響會使其硬度進(jìn)一步降低，因而在長時間回火保溫下會降低鋼的熱穩(wěn)定性。因此，不含V的A1鋼碳化物粗大、硬度降低、高溫回火穩(wěn)定性相對較差，與圖2熱穩(wěn)定性硬度曲線相符?；鼗鸨剡^程本質(zhì)上是等溫回火轉(zhuǎn)變，其原理可歸納為[22-24]：在過飽和固溶體中第二相粒子析出長大，在晶體空間點陣的重新構(gòu)建上，表現(xiàn)為較大彈性畸變能的釋放，伴隨現(xiàn)象為回復(fù)和再結(jié)晶，其熱穩(wěn)定性能較優(yōu)?；鼗?2、20 h后H13、A2鋼組織出現(xiàn)回復(fù)，微觀形貌與回火2 h類似，其熱穩(wěn)定性能優(yōu)于A1鋼。但H13鋼中碳化物在長時間回火保溫下開始粗化，對比A2鋼的金相顯微組織，A2鋼中碳化物細(xì)小、彌散，說明添加過量的V無法進(jìn)一步抑制碳化物粗大，反而降低鋼的熱穩(wěn)定性。因此，添加適量的V不僅使鋼在熱處理后組織析出穩(wěn)定、晶粒大小均勻，而且進(jìn)一步提高鋼的熱穩(wěn)定性。

圖4 H13鋼熱穩(wěn)定性試樣顯微組織

圖5 A1鋼熱穩(wěn)定性試樣顯微組織

圖6 A2鋼熱穩(wěn)定性試樣顯微組織

H13、A1、A2試樣鋼回火12 h后10 000倍的掃描電鏡（SEM)形貌如圖7所示，從圖7可以看出，H13、A2鋼中出現(xiàn)圓狀碳化物。施淵吉等研究了析出的VC型碳化物呈球狀形貌分布[25]，與圓狀碳化物形貌近似，而A1試樣鋼中沒有出現(xiàn)該形貌，故推理該圓狀碳化物與V有關(guān)，又由于V是強碳氮化物形成元素[2,3,7-9]，H13、A2鋼中碳化物為VC型碳化物，再根據(jù)圖2的熱穩(wěn)定性曲線可以得知，析出VC型碳化物可以提高模具鋼的熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步對比A2、H13鋼的碳化物形貌分布，發(fā)現(xiàn)0.55%V的A2鋼碳化物更加細(xì)小且分布彌散，并且A2鋼在長時間回火下硬度下降最小、保持良好的熱穩(wěn)定性，因此VC碳化物對鋼起到顯著的細(xì)化晶粒和析出強化作用。

圖7 試樣鋼回火12 h的SEM形貌

3 結(jié)束語

研究了不同V含量H13鋼的二次硬化及回火熱穩(wěn)定性曲線，結(jié)合JMA方程和顯微組織可以得出以下結(jié)論。

（1）具有1.0%V的H13鋼二次硬化現(xiàn)象更加明顯，峰值在530℃左右出現(xiàn)。

（2）當(dāng)含V量為0.55%時，試驗鋼的熱穩(wěn)定性最佳，不含V和含1.0%V的試驗鋼熱穩(wěn)定性較差，故需要選擇合適的V含量提高模具鋼熱穩(wěn)定性。

（3）通過JMA方程計算結(jié)果和顯微組織對比分析，0.55%V的試驗鋼中析出細(xì)小彌散的碳化物，不含V和含1.0%V的試驗鋼在長時間回火后析出的碳化物粗大，即應(yīng)合理選擇V含量，可以有效阻止碳化物粗大，形成細(xì)小彌散碳化物，提高H13鋼的熱穩(wěn)定性。