回火工藝對(duì)H13E鋼顯微組織及力學(xué)性能的影響

陳少華，蔣家發(fā)，劉 哲，陳衛(wèi)華，艾云龍

(1.江西省知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心, 江西 南昌 330029；2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

長(zhǎng)期以來(lái)，H13熱作模具鋼被廣泛用于制造鍛造模具、葉片的高速錘鍛模具等熱鍛模具[1-3]。近年來(lái)，隨著制造行業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)模具材料的性能以及使用壽命提出了更高的要求，然而傳統(tǒng)H13熱作模具鋼依然存在硬度不足、耐磨性差、硬度與沖擊韌性匹配不合理導(dǎo)致其使用壽命不足的問(wèn)題[4-5]。劉宗昌等[6]研究了H13鋼在300～630 ℃回火工藝下，隨著回火溫度的升高，組織由回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火托氏體，且在520 ℃時(shí)出現(xiàn)二次硬化的現(xiàn)象。田玉新等[7]通過(guò)對(duì)4Cr5MoSiV1鋼回火溫度的研究，認(rèn)為隨著溫度升高回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和硬度降低，但塑性與韌性升高。J. Zhu等[8]發(fā)現(xiàn)采用550 ℃保溫50 h的預(yù)回火工藝可以有效提高H13鋼的強(qiáng)韌性。H13E鋼是在原有H13鋼基礎(chǔ)上，對(duì)其中的合金元素成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整而達(dá)到一定的改性，期望在H13鋼基礎(chǔ)上提高其強(qiáng)韌性。本文在前期基礎(chǔ)上[9]通過(guò)研究不同的回火工藝參數(shù)對(duì)H13E鋼顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化H13E鋼的回火工藝，提高其使用壽命，降低經(jīng)濟(jì)成本。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為H13E鋼錠，供貨狀態(tài)為正火態(tài)，顯微組織由珠光體和索氏體組成。H13E鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用線切割機(jī)從鋼料上截取試樣若干，金相、硬度和磨損試樣尺寸為12 mm×12 mm×15 mm；沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比U型缺口試樣。

表1 H13E鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

淬火處理后的樣品在SX2-18-10型箱式電阻爐中進(jìn)行加熱，第一次回火出爐油冷后，再放入回火爐進(jìn)行第二次回火。根據(jù)之前研究[9]，此次H13E鋼在進(jìn)行回火前，淬火工藝選取1060 ℃保溫20 min，油冷。根據(jù)H13E鋼中合金元素的含量以及工件的使用性能和技術(shù)要求，探究不同回火溫度、回火保溫時(shí)間、回火次數(shù)對(duì)H13E鋼組織與性能的影響，選用不同的回火參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，具體熱處理工藝見(jiàn)表2。

表2 H13E鋼回火工藝參數(shù)

試樣打磨、拋光并使用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用通過(guò)Axio Scope.A1型金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。利用HR-150A洛氏硬度計(jì)對(duì)熱處理后的H13E鋼進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度計(jì)載荷選取150 N，保壓時(shí)間為10 s，為減小測(cè)量誤差，每個(gè)試樣需測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為該試樣的最終硬度值。采用PTM2200-I1型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣為標(biāo)準(zhǔn)夏比U型缺口試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每組試驗(yàn)取3根標(biāo)準(zhǔn)試樣，取其平均值為最終的沖擊韌性值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 回火溫度對(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響

圖1為不同回火溫度，保溫4 h和回火兩次后H13E鋼的顯微組織。從圖1中可看出，隨著回火溫度升高，回火馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變成回火索氏體。當(dāng)回火溫度為520 ℃時(shí)，其組織主要為回火馬氏體以及部分殘余奧氏體；當(dāng)回火溫度升高到530～540 ℃時(shí)，部分回火馬氏體分解轉(zhuǎn)變成回火索氏體；當(dāng)回火溫度升高到550 ℃時(shí)，組織中回火馬氏體特征逐漸模糊，基本轉(zhuǎn)變成回火索氏體，此時(shí)組織主要由回火索氏體及部分殘余奧氏體組成。

(a)520 ℃；(b)530 ℃；(c)540 ℃；(d)550 ℃圖1 不同回火溫度下H13E鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of H13E steel at different tempering temperatures

圖2為不同回火溫度下，保溫4 h和回火兩次后H13E鋼的SEM。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，回火馬氏體之間相互交錯(cuò)，排列存在一定差異，隨著回火溫度的升高，組織中回火馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變成回火索氏體。由于淬火后H13E鋼組織中存在較多的殘余奧氏體，在回火過(guò)程中殘余奧氏體會(huì)發(fā)生向馬氏體轉(zhuǎn)變，即二次淬火現(xiàn)象；另外淬火組織中的馬氏體會(huì)在回火過(guò)程中轉(zhuǎn)變成回火馬氏體。回火溫度升高會(huì)導(dǎo)致組織中回火馬氏體特征愈來(lái)愈模糊，逐漸轉(zhuǎn)變成回火索氏體。

(a)520 ℃；(b)530 ℃；(c)540 ℃；(d)550 ℃圖2 不同回火溫度下H13E鋼的SEMFig.2 SEM of H13E steel at different tempering temperatures

表3為H13E鋼在不同回火溫度下的力學(xué)性能，圖3為不同回火溫度下H13E鋼硬度與沖擊韌性的變化趨勢(shì)圖。隨著回火溫度的升高，硬度逐漸下降，當(dāng)回火溫度為550 ℃時(shí)下降趨勢(shì)最為明顯，僅為54.5 HRC。回火溫度較低時(shí)合金回火馬氏體含量較多，隨著回火溫度升高，回火馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，但由于Cr、Mo、V等合金元素可以通過(guò)阻礙碳化物聚集長(zhǎng)大和鐵素體晶粒等軸化[10]，提高了H13E鋼的回火抗力，導(dǎo)致基體硬度下降較少；當(dāng)回火溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，回火馬氏體基本轉(zhuǎn)變成回火索氏體，同時(shí)溫度的升高導(dǎo)致H13E鋼中析出的合金碳化物聚集、長(zhǎng)大，打破了和馬氏體相之間的共格關(guān)系，合金元素抗回火軟化能力下降，此時(shí)硬度顯著降低。所以H13E鋼在低于540 ℃時(shí)有良好的抗回火軟化性能。

表3 不同回火溫度下H13E鋼的力學(xué)性能

與硬度的變化不同，H13E鋼的沖擊韌性隨著回火溫度的升高而增大，由520 ℃時(shí)的11.45 J/cm2升高至550 ℃時(shí)的18.35 J/cm2。這是由于回火溫度升高，原馬氏體基體中碳擴(kuò)散能力和脫溶能力增強(qiáng)，馬氏體基體中的碳原子不斷地以合金碳化物的形式析出，而析出的細(xì)小顆粒狀合金碳化物在組織中彌散分布可使材料的抗脆斷能力有相應(yīng)提升，使裂紋在擴(kuò)展中所需的解理擴(kuò)展的臨界應(yīng)力有所提高；同時(shí)相較于回火馬氏體，回火索氏體更有利于提高鋼的室溫沖擊韌性[11]。

圖3 不同回火溫度下H13E鋼力學(xué)性能變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of mechanical properties of H13E steel at different tempering temperatures

由上可知，H13E鋼在530～540 ℃回火時(shí)，其組織為回火馬氏體與回火索氏體共存的混合組織，馬氏體的存在和彌散分布的細(xì)小碳化物保障了H13E鋼具有較高的硬度，而回火索氏體的存在使得H13E鋼具有一定的韌性，所以H13E鋼在530～540 ℃回火時(shí)可以得到硬度與沖擊韌性匹配較佳的綜合力學(xué)性能。回火溫度升高到550 ℃時(shí)，馬氏體中碳原子大量擴(kuò)散，幾乎無(wú)馬氏體形態(tài)，組織以回火索氏體為主，使H13E鋼的沖擊韌性有顯著地提升，但會(huì)大幅度降低其硬度。

2.2 回火保溫時(shí)間對(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響

圖4為H13E鋼在530 ℃保溫不同時(shí)間時(shí)(1、2、4和6 h)回火兩次的顯微組織。從圖4中可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余奧氏體分解越充分，同時(shí)當(dāng)回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)至一定時(shí)間時(shí)，組織中的回火馬氏體會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生分解，馬氏體的形態(tài)特征逐漸變得不清晰直至消失，回火馬氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成回火索氏體。當(dāng)回火保溫時(shí)間為1～2 h時(shí)，回火馬氏體無(wú)明顯分解現(xiàn)象，組織以回火馬氏體以及殘余奧氏體為主，如圖4(a)、4(b)所示；當(dāng)保溫4 h時(shí)，部分馬氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，故基體主要以回火馬氏體和回火索氏體的混合組織為主，如圖4(c)所示；繼續(xù)延長(zhǎng)回火保溫時(shí)間至6 h時(shí)，回火馬氏體基本分解，基體組織主要以回火索氏體為主，如圖4(d)所示。

(a)1 h；(b)2 h；(c)4 h；(d)6 h圖4 不同保溫時(shí)間下H13E鋼的顯微組織Fig.4 Microstructure of H13E steel atdifferent holding times

表4為530 ℃溫度下分別保溫1、2、4 和6 h回火兩次后H13E鋼的硬度和沖擊韌性值。當(dāng)回火保溫時(shí)間在1～4 h范圍內(nèi)，H13E鋼的硬度值保持在57.5 HRC左右；當(dāng)保溫時(shí)間由4 h增加到6 h后，硬度有明顯的下降，僅為55.8 HRC。這是因?yàn)榛鼗瘃R氏體中碳原子的脫溶使馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷減少，回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體，對(duì)基體的軟化效應(yīng)大于回火過(guò)程中的二次硬化效應(yīng)；另一方面則是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的保溫狀態(tài)導(dǎo)致析出的第二相顆粒發(fā)生聚集并長(zhǎng)大的現(xiàn)象，兩方面共同作用下，H13E鋼的硬度表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

表4 不同保溫時(shí)間下H13E鋼的力學(xué)性能

圖5為530 ℃溫度下H13E鋼的力學(xué)性能曲線。由圖5可知，H13E鋼的沖擊韌性隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈一直增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率先較快隨后趨于平緩。其原因在于保溫時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致更多的第二相顆粒彌散析出，均勻地分布于基體中，降低了馬氏體發(fā)生斷裂的傾向，顆粒狀合金碳化物的存在可以有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的沖擊性能；同時(shí)回火馬氏體分解成回火索氏體，基體中位錯(cuò)密度下降，碳化物逐漸球化，有利于H13E鋼沖擊韌性的提高。綜合考慮，H13E鋼保溫4 h、回火兩次可以得到硬度和沖擊韌性匹配較佳的綜合力學(xué)性能。

圖5 不同保溫時(shí)間下H13E鋼的力學(xué)性能變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of mechanical properties of H13E steel at different holding times

2.3 回火次數(shù)對(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響

圖6為H13E鋼在530 ℃下保溫4 h、回火一次與回火兩次的顯微組織。從圖6中可看出，一次回火后H13E鋼的組織主要為回火馬氏體、回火索氏體、部分殘余奧氏體、回火過(guò)程中彌散析出的碳化物以及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而成的馬氏體組織；二次回火后H13E鋼組織主要為回火馬氏體、回火索氏體及部分殘余奧氏體。相較于一次回火，二次回火后H13E鋼組織中的殘余奧氏體減少，且隨著回火次數(shù)增加，回火馬氏體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成回火索氏體組織。

(a)一次回火；(b)二次回火圖6 不同回火次數(shù)下H13E鋼的顯微組織(a)once tempering；(b)twice temperingFig.6 Microstructure of H13E steel at different tempering times

表5為H13E鋼在530 ℃下保溫4 h后、一次回火與二次回火硬度和沖擊韌性值，一次回火與二次回火后H13E鋼的硬度相差無(wú)幾，二次回火相較于一次回火H13E鋼的沖擊韌性提高1.5 J/cm2左右。由于一次回火時(shí)彌散析出的碳化物對(duì)H13E鋼基體有一定的析出強(qiáng)化作用，可減弱回火過(guò)程碳原子的脫溶對(duì)H13E鋼基體的軟化效應(yīng)，使得試驗(yàn)鋼硬度下降幅度較小；二次回火時(shí)，回火馬氏體分解更徹底，回火索氏體增加，H13E鋼的強(qiáng)度稍有降低，但有利于提高其韌性[13]。圖7為回火次數(shù)對(duì)H13E鋼力學(xué)性能對(duì)比，根據(jù)圖7可知，相比于一次回火，二次回火后H13E鋼的硬度與沖擊韌性具有更優(yōu)的匹配，同時(shí)可滿足H13E鋼在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的性能技術(shù)目標(biāo)。

表5 不同回火次數(shù)下H13E鋼的力學(xué)性能

圖7 不同回火次數(shù)下H13E鋼的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of H13E steel at different tempering times

3 結(jié)論

1)H13E鋼回火溫度為520～550 ℃時(shí)，隨著回火溫度的升高，H13E鋼的組織中回火馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變成回火索氏體，H13E鋼硬度呈不斷下降的趨勢(shì)，而沖擊韌性不斷上升，在550 ℃時(shí)達(dá)到18.35 J/cm2。

2)H13E鋼在530 ℃加熱保溫1～6 h時(shí)，H13E鋼組織中的回火馬氏體形態(tài)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸模糊直至消失，最終轉(zhuǎn)變成粒狀的回火索氏體組織。保溫時(shí)間在4 h內(nèi)硬度幾乎無(wú)變化，當(dāng)保溫6 h時(shí)硬度明顯下降，僅為55.8 HRC；但沖擊韌性在保溫6 h內(nèi)均呈上升趨勢(shì)。

3)兩次回火后H13E鋼的硬度為57.4 HRC，僅比一次回火的硬度低0.5 HRC，但沖擊韌性提高1.5 J/cm2。

4)H13E鋼較佳的回火工藝為：530～540 ℃保溫4 h，兩次回火。