熱處理工藝對鋼微觀組織的影響范文

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H13屬于熱作模具鋼，我國的牌號是4Cr5MoSiV1，是在碳素工具鋼中加入Cr、V等合金元素而形成的鋼種，在中溫下的綜合性能好，可空冷淬硬，廣泛應用于鍛模、壓鑄模和擠壓模，是目前應用最廣泛的熱作模具鋼種之一．由于H13鋼中合金元素含量可達到8％左右，合金元素改變了鐵碳平衡相圖，共析點左移，屬過共析鋼，在凝固過程中出現二次網狀碳化物，如果熔煉和凝固過程控制不當，還會出現Cr和V的一次碳化物和合金元素的偏析．目前很多國內生產廠家的H13鋼鍛前熱處理為簡單的球化退火，退火溫度低，合金元素不能得到擴散，一次碳化物不能充分熔解，造成組織中存在粗大的一次碳化物，偏析也十分嚴重，鍛造后形成局部的鏈狀碳化物，強烈影響模塊的沖擊韌度．前期研究表明，高溫正火＋球化退火熱處理工藝加熱溫度高，冷卻速度快，有利于減少合金元素的偏析，獲得分布均勻二次碳化物、細小的組織．本文對前期的預備熱處理進行了后續的最終熱處理工藝，即淬火＋回火．淬火溫度對H13鋼的最終性能具有重要的作用，如果淬火溫度過低，碳化物溶解不充分，鋼的淬透性下降，回火的穩定性降低，硬度達不到要求，溫度過高又會導致奧氏體晶粒長大，大量碳化物溶入基體，淬火后出現針狀馬氏體，且硬度過高，增加熱應力，服役容易開裂和折斷．因此，有必要研究淬火溫度對H13鋼的組織和性能的影響，優化淬火工藝，獲得組織均勻而細小、彌散程度高、硬度適中的H13鋼，進而提高其后續使用性能．

1實驗材料的制備

試驗用H13鋼通過電爐熔煉＋真空精煉＋電渣重熔獲得鑄錠，將電渣重熔后的鑄錠進行鍛造．在進行鍛造前，首先將鑄錠送至天然氣加熱的熱處理爐，以一定的加熱速度將鑄錠加熱到1200℃，在該溫度下保溫2h，由于加熱溫度高，保溫時間長，碳化物可以達到充分的熔解，合金元素的擴散能力也得到了提高，可以大大改善合金元素的偏析．鍛造時，控制始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度不得低于850℃，保證鍛件不硬化，并且保證橫向和縱向都鍛透，鍛造比＞3，將鍛造后的H13鋼送入熱處理爐進行熱處理．試驗用H13鋼化學成分見表1。

2實驗結果及分析

2．1高溫正火＋球化退火目前國內大多數生產廠家對H13鋼的預備熱處理工藝是簡單的球化退火，并未加高溫正火．研究表明，在球化退火前進行正火有利于細化組織和碳化物均勻分布，但正火工藝的研究大多集中在950～980℃左右，通過相圖分析發現，實現H13鋼完全奧氏體化溫度為930～940℃左右，因此，采用950～980℃進行正火的溫度偏低．為了使碳化物充分熔解，合金元素得到擴散，進一步提高了正火溫度，達到1020℃．如圖2所示［4］，采用高溫正火＋球化退火的工藝其球化效果非常明顯，球化率在95％以上，偏析得到大幅度的改善，晶粒度在7級左右，達到了北美壓鑄協會標準評級．

2．2淬火溫度對H13鋼組織的影響淬火加熱溫度的選擇應以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細小的馬氏體組織．在奧氏體晶粒長大不明顯的情況下，適當地提高淬火溫度可以加速碳化物的溶解，使奧氏體中含碳量和合金元素量增加，提高淬透性的同時可提高淬火后的硬度，進而在隨后回火過程中可以進一步析出彌散的、細小的碳化物，這種組織有利于提高材料的熱疲勞性能和回火穩定性，可充分發揮H13鋼的潛力．本文選擇的淬火溫度為950℃、1000℃、1050℃、1100℃，保溫1．5h，油淬．

圖3所示為分別在950℃、1000℃、1050℃、1100℃爐中保溫1．5h后在油中淬火所得的顯微組織．通過觀察發現，不同保溫溫度的H13鋼淬火后的主相均為馬氏體，同時還有殘余奧氏體和碳化物，隨著淬火溫度的提高，碳化物的尺寸和數量減少，但是其晶粒尺寸也得到了相應的增大，這是由于溫度的提高導致在奧氏體化過程中，奧氏體晶粒尺寸長大而形成的．為了進一步觀察不同溫度淬火下H13鋼的組織，對試樣做了掃描電鏡分析．圖4所示為通過電鏡掃描觀察到的分別在950℃、1000℃、1050℃、1100℃爐中保溫1．5h后在油中淬火所得的顯微組織．通過觀察發現，H13鋼在在950℃淬火時，其未溶碳化物的尺寸大小不一，最大的碳化物可以達到十幾個微米，當提高淬火溫度到1000℃時，未溶的碳化物的尺寸較小，但也存在個別的大尺寸碳化物．其主要原因是在較低的溫度下進行保溫，奧氏體成分還沒有足夠均勻化，碳化物溶解較少，尤其是大尺寸的碳化物熔解不充分，導致淬火后碳化物組織不均勻；而在1050℃和1100℃淬火后，碳化物進一步得到了減少，其中在1050℃淬火組織碳化物均勻，而在1100℃淬火組織中只存在少量的碳化物，且碳化物的尺寸只有幾個微米．在900℃～1180℃的溫度范圍，碳化物的含量隨著溫度的升高而下降，當溫度達到1180℃時，碳化物全部固溶進奧氏體中［5］．研究表明，隨著淬火溫度的提高，碳化物溶解得更加充分，當淬火溫度為1100℃，保溫時間為1．5h時，H13鋼的中碳化物幾乎全部溶解．雖然這會提高組織的穩定性，但是在后續的回火過程中，不利于碳化物的析出從而強化組織．因為，淬火過程中未溶解的碳化物可以作為回火過程中碳化物析出的形核質點，且過高的淬火溫度還會導致奧氏體晶粒的長大，當淬火溫度高于1070℃時，奧氏體晶粒有明顯的長大．因此從組織上分析，本文選取淬火溫度1050℃，保溫1．5h為淬火工藝，可以保證奧氏體化過程中晶粒不急劇長大，一部分溶解的碳化物可以提高組織的穩定性、淬透性和淬硬性，未溶解的分布均勻、細小的碳化物可以作為后續回火時的碳化物析出形核質點．

淬火溫度對H13鋼硬度的影響圖5為淬火溫度對H13鋼硬度的影響，由圖可知，隨著淬火溫度的升高，H13鋼的硬度也隨之增大，其主要原因是：一方面是淬火溫度增加，冷卻速度得到了提高，組織中形成的馬氏體含量增加，硬度提高；另一方面原因是隨著淬火溫度的提高加速了合金碳化物的溶解，使淬火后馬氏體中的碳和合金元素增加，從而提高H13鋼的淬透性和淬硬性，淬火后的硬度自然得到了提高．當淬火溫度為1100℃時，H13鋼的硬度最大，這對提高H13鋼的耐磨性是有利的，但是在該鋼的基體上出現了裂紋，如圖6所示．因此，本文研究的4個淬火溫度，在保證硬度的同時又不出現裂紋，選取1050℃是合適的．

2．3淬火溫度對回火組織的影響對熱作模具鋼H13來說，碳化物細小均勻分布在基體上，對組織的強化是有利的，因此要求淬火后進行后續的回火處理，使淬火熔解的碳化物有一部分從新彌散析出，產生兩次硬化現象．研究表明，采用同樣的回火工藝進行二次回火后，其組織更加穩定和均勻，且硬度適中，有利于提高熱擠壓模具的使用壽命［7－9］，回火馬氏體基體及其上分布的碳化物是決定H13鋼力學性能的本質因素．圖7為經過600℃，保溫1．5h，不同淬火溫度對二次回火組織的影響（1100℃淬火形成裂紋，不分析該熱處理回火組織）．對比圖3和圖7發現，950℃為回火后的組織，為回火馬氏體＋殘余奧氏體＋少量的鐵素體＋碳化物，回火組織中的碳化物顆粒較大，有的碳化物還成鏈狀分布，這是由于淬火溫度過低，碳化物熔解不充分，從而影響了回火時碳化物的彌撒析出，且在回火組織中還發現了少量的鐵素體，這是由于奧氏體化不充分造成的．1000℃淬火＋回火后的組織為回火馬氏體＋殘余奧氏體＋碳化物，此時析出的碳化物尺寸區別較大，不利于性能的均勻性．1050℃淬火＋回火后的組織為回火馬氏體＋殘余奧氏體＋碳化物，碳化物彌撒析出，尺寸差別小，且分布均勻，回火馬氏體中還有少量的板條狀馬氏體，這些都有利于H13鋼綜合性能的提高．圖8為淬火＋回火后的硬度，隨著淬火溫度的提高硬度提高，造成這種現象的主要原因是，淬火溫度提高，熔解在基體中的合金元素越多，淬硬性得到了提高．

3結論

1）在高溫正火＋球化退火的預備熱處理的基礎上進行了淬火＋回火的最終熱處理，隨著淬火溫度的提高，溶解的合金碳化物增多，未溶解的碳化物尺寸變小，當淬火溫度為1100℃，保溫1．5h，合金碳化物幾乎全部溶解．2）淬火溫度越高，溶解的合金碳化物越多，熔入基體的合金和碳提高了H13鋼淬硬性，淬火硬度隨著淬火溫度的提高而提高．對淬火組織進行了二次回火，回火后的硬度較淬火硬度低．隨著淬火溫度的提高，回火析出的碳化物更加細小均勻，回火組織以回火馬氏體＋殘余奧氏體＋碳化物為主，只有在950℃較低的淬火溫度下出現少量的鐵素體組織．3）通過對回火組織和硬度的分析，對H13的淬火＋回火最終熱處理工藝進行了優化，優化工藝方案為淬火溫度1050℃，保溫1．5h，油淬，回火溫度600℃，保溫1．5h．

作者：葉喜蔥 程俊 吳彬彬 鄢瀝 吳海華 單位：三峽大學 機械與動力學院 武鋼集團襄陽重型裝備材料有限公司