消除H13模具鋼網(wǎng)狀碳化物的熱處理工藝研究

夏云峰 張光川 朱 文 李 挺

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古014033)

消除H13模具鋼網(wǎng)狀碳化物的熱處理工藝研究

夏云峰 張光川 朱 文 李 挺

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古014033)

分析了H13模具鋼退火組織中網(wǎng)狀碳化物的形成機(jī)理，闡述了網(wǎng)狀碳化物對模具鋼性能的影響，發(fā)現(xiàn)鍛后通過高溫加熱及快速冷卻的方式能夠有效避免網(wǎng)狀碳化物的析出，同時還能夠顯著提高沖擊性能。

H13；模具鋼；網(wǎng)狀碳化物；球化退火

H13模具鋼是從美國引進(jìn)的H13空淬硬化熱作模具鋼，其牌號為4Cr5MoSiV1，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1299—2000，因?yàn)槠鋵儆贑-Cr-Mo-Si-V型鋼，具備較高的熱強(qiáng)性，良好的韌性和耐冷熱疲勞性能，不容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，是強(qiáng)韌兼?zhèn)涞臒嶙髂ｄ?，使用范圍廣泛，主要用于制造沖擊載荷大的鍛模、熱擠壓模、精鍛模，鋁、銅及其合金壓鑄模。H13鋼制作的模具生產(chǎn)的壓鑄件外觀質(zhì)量較其它模具好很多，因此十分受市場青睞。

然而由于H13屬于中碳鋼，且鋼中強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V含量較高，因此在鍛造和熱處理過程中稍有不慎便會出現(xiàn)大量沿晶碳化物，影響模具的沖擊性能和使用壽命。因此，找出H13模具鋼網(wǎng)狀碳化物的有效控制措施，探索出一套合理的H13球化退火工藝是亟待研究解決的重點(diǎn)課題。

1 H13鋼的化學(xué)成分及奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線

H13模具鋼化學(xué)成分的特點(diǎn)有：

(1)中碳，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%～0.45%，以保證高硬度、高韌性和較高的熱疲勞抗力。

(2)加入較多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si，Mn可以改變鋼在凝固時所形成氧化物的性質(zhì)和形狀，避免S在晶界上形成低熔點(diǎn)的FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，從而消除S的有害影響，改善H13的熱加工性能，Cr和Si又可以提高回火穩(wěn)定性。

(3)加入產(chǎn)生二次硬化的元素Mo、V，能有效防止第二類回火脆性，提高回火穩(wěn)定性。H13鋼化學(xué)成分見表1。

通過試驗(yàn)測定H13鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT圖)，見圖1。

表1 H13鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of H13 steel (mass fraction, %)

圖1 H13鋼退火用TTT圖Figure 1 TTT diagram used for annealing process of H13 steel

從圖1可以看出，H13鋼的Ac1為835℃，Ac3為895℃，Ms點(diǎn)溫度為301℃，Mf點(diǎn)為200℃，珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度約為750℃。

2 H13鋼退火工藝

2.1 原退火工藝

鍛造后升溫至1010～1030℃保溫一定時間后淬火冷卻至350～400℃，此時鋼由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，然后升溫至840～870℃保溫，該溫度正好處于Ac1與Ac3之間，在此溫度下長時間保溫能將鋼中沿晶界析出的部分片層狀或條狀碳化物熔斷成顆粒狀或球狀，起到球化效果，而后再降溫至750℃進(jìn)一步析出碳化物，均勻組織，同時繼續(xù)擴(kuò)氫。按照該工藝退火后，退火顯微組織按照北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)評級一般為AS7～AS9，在可接受范圍內(nèi)，但組織中有大量的長條狀碳化物，按照GB/T 18254評級網(wǎng)狀碳化物為3級。H13模具鋼傳統(tǒng)球化退火工藝見圖2。退火顯微組織照片見圖3。檢測其無缺口沖擊功在220 J～280 J之間。

圖2 H13模具鋼傳統(tǒng)球化退火工藝Figure 2 The traditional spheroidizing annealing process of H13 die steel

H13鋼退火組織中出現(xiàn)碳化物網(wǎng)有兩種原因：其一是鍛后組織中奧氏體晶界已有細(xì)小的二次碳化物網(wǎng)存在，鍛后高溫加熱過程碳化物網(wǎng)沒有完全被熔掉，在球化退火時得以保留；其二是鍛后高溫加熱后淬火冷卻速度偏慢，過飽和奧氏體可能在冷卻過程中沿晶界析出二次碳化物，球化過程中碳化物進(jìn)一步析出加粗。退火組織中已存在的碳化物網(wǎng)，在淬火+回火后，雖然很少形成全封閉網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)孔一般比較粗大，采用硝酸酒精溶液浸蝕磨面就能觀察到白色網(wǎng)絡(luò)，采用熱染色可以更好地提高其清晰度。這種碳化物會嚴(yán)重影響模具鋼的沖擊韌性和等向性，導(dǎo)致模具早期失效。

2.2 新退火工藝

為進(jìn)一步驗(yàn)證原退火工藝H13模具鋼中網(wǎng)狀碳化物形成的機(jī)理，選取6組100 mm×100 mm×150 mm的小試樣進(jìn)行對比試驗(yàn)，確定鍛后加熱溫度及冷卻速度對H13模具鋼退火組織中網(wǎng)狀碳化物的影響，加熱保溫時間均為5 h。

6組試樣經(jīng)球化退火后分別按NADCA#207和GB/T 18254檢測退火顯微組織、無缺口沖擊功及網(wǎng)狀碳化物，其檢測結(jié)果見表2。

圖4為退火顯微組織照片。

圖4 H13模具鋼退火顯微組織Figure 4 The annealed microstructure of H13 die steel

圖5 H13模具鋼新的鍛后退火工藝Figure 5 The new annealing process after forging for H13 die steel

對比6組試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，加熱溫度越高，淬火冷卻強(qiáng)度越大，球化退火所得到的退火顯微組織越均勻，網(wǎng)狀碳化物越少，無缺口沖擊性能也越好。當(dāng)然如果溫度過高，加熱時間過長會導(dǎo)致晶粒粗大，對模具鋼的性能產(chǎn)生不利影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加熱溫度控制在1090～1130℃之間最為理想。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定新的鍛后退火工藝，見圖5。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，終鍛溫度控制不好、鍛后加熱溫度過低及加熱后冷卻速度偏慢都會造成H13模具鋼組織中出現(xiàn)大量網(wǎng)狀碳化物，影響模具的性能和使用壽命，而鍛后通過1100℃左右的高溫加熱，然后快速冷卻能夠有效避免和消除網(wǎng)狀碳化物，獲得均勻、理想的退火顯微組織和性能。

[1] 陳大金. H13鋼的熱處理工藝研究[J].大型鑄鍛件,2002(4):41-42.

[2] 王鴻雁,孫法林,巴麗波,等.H13鋼加厚模淬火裂紋分析[J].大型鑄鍛件,2005(2):36-37.

編輯 杜青泉

Research on Heat Treatment Process to Eliminate Network Carbide of H13 Die Steel

Xia Yunfeng, Zhang Guangchuan, Zhu Wen, Li Ting

The formation of network carbide in the annealed structure of H13 die steel has been analyzed. Meanwhile, the influence of network carbide on the properties of die steel has been described. It is found that after forging, the precipitation of network carbide can be effectively avoided by means of high temperature heating and rapid cooling, and the impact property can be improved obviously as well.

H13; die steel; network carbide; spheroidizing annealing

2016—09—22

TG156

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