H13熱作模具鋼中晶界碳化物的形成與控制*

馬飛飛，周曉帆，高啟新，段寶玉，楊凡，王海燕

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 分析測試中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

熱作模具鋼常在高溫條件下使用，尤其是常常用來制作熱鍛模具、壓鑄模具和熱擠壓模具等，其在工作時(shí)除了承受高溫載荷外，還要承受急熱急冷的服役環(huán)境.通常需要保證鋼材具有良好的強(qiáng)度、硬度、韌性和抗冷熱疲勞性等.作為熱作模具的典型鋼種，H13鋼具有較高的經(jīng)濟(jì)性和在高溫工況下優(yōu)良的綜合性能，因而受到研究者廣泛關(guān)注[1-3]，為增強(qiáng)H13熱作模具鋼的耐磨性，研究者們做了大量研究，目前，低Si高M(jìn)o的合金化與加入Nb的合金化途徑成為主要趨勢[4-6]，在成分設(shè)計(jì)上滿足H13鋼對于紅硬性，高強(qiáng)韌性，適合硬度的要求，配以合適的熱處理工藝，從而獲得細(xì)小均勻的基體組織，以及彌散分布的球化碳化物，由于H13鋼中細(xì)小均勻的碳化物有析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，而形成網(wǎng)狀碳化物的尺寸、形貌以及數(shù)量等因素影響H13鋼的使用壽命，因此，避免形成網(wǎng)狀碳化物對熱作模具鋼的性能至關(guān)重要[7，8].

將針對性地制定2種熱處理工藝，采用光學(xué)顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)鋼金相組織，利用掃描電子顯微鏡分析晶界處碳化物分布狀態(tài)以及析出位置，并分析晶界網(wǎng)狀碳化物的形成原因.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為H13鋼，其化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C：0.32～0.45；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20.將實(shí)驗(yàn)鋼加熱到1 050 ℃后，保溫1.5 h充分奧氏體化后，關(guān)閉熱處理爐，然后1號樣在爐內(nèi)隨爐冷至600 ℃時(shí)取出空冷，2號試樣隨爐冷至800 ℃時(shí)取出空冷，根據(jù)熱處理工藝不同，分別編號為1號鋼和2號鋼.將2種實(shí)驗(yàn)鋼加工成10 mm×10 mm×10 mm的試樣，經(jīng)研磨與拋光后，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織，利用掃描電子顯微鏡分析碳化物分布情況，并對晶界網(wǎng)狀碳化物的形成原因進(jìn)行分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為實(shí)驗(yàn)鋼退火態(tài)的金相組織圖.可以看出，基體晶粒大小不一，組織不均勻，顏色較黑位置為碳化物聚集區(qū)域，碳化物數(shù)量較多，尺寸細(xì)小，淺色區(qū)域?yàn)樨毺紖^(qū).基體中的碳化物以退火態(tài)球狀碳化物均勻分布，晶界處的碳化物以球狀碳化物獨(dú)立存在，未構(gòu)成網(wǎng)狀碳化物.

采用掃描電子顯微鏡進(jìn)一步分析，如圖2(a)所示，基體晶粒大小均勻，晶內(nèi)彌散分布著顆粒狀碳化物.進(jìn)一步放大看出，晶界聚集了較為粗大的碳化物顆粒，但彼此獨(dú)立存在，并未相連形成條狀或網(wǎng)狀，如圖2(b)所示.

圖3(a)與(b)分別為實(shí)驗(yàn)鋼在爐內(nèi)冷至600和800 ℃空冷后的金相組織照片.可以看出，在1號工藝試樣中，晶界處并沒有發(fā)現(xiàn)碳化物顆粒連接成線，網(wǎng)狀碳化物等級為零級，而2號工藝試樣的金相組織中，晶界處發(fā)現(xiàn)連成條狀的碳化物.

實(shí)驗(yàn)鋼在熱處理過程中，晶界處形成先共析二次碳化物，淬火時(shí)不能完全消除，會使零件的脆性增加，承受載荷的強(qiáng)度和韌性降低[9，10].

進(jìn)一步采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行深入觀察.圖4為實(shí)驗(yàn)鋼在經(jīng)不同工藝熱處理后的SEM圖片.H13鋼的Ar1，溫度應(yīng)為700 ℃左右.圖4(a)表明，對于爐冷至低于600 ℃后進(jìn)行空冷的1號試樣，其碳化物呈粒狀均勻分布.對于爐冷至高于800 ℃后進(jìn)行空冷的2號樣，可以看到晶界處出現(xiàn)了大量網(wǎng)狀碳化物，將基體晶粒割裂開來，如圖4(b)所示.

研究表明，如果退火組織出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在淬火加熱的過程中，即使奧氏體化時(shí)網(wǎng)狀碳化物溶入了基體，也會有少部分保留下來，網(wǎng)狀碳化物的析出位置大部分在晶界出現(xiàn)，在使用過程中，網(wǎng)狀碳化物容易形成裂紋源，使實(shí)驗(yàn)鋼的耐沖擊韌性降低，脆性增加，工件在使用過程中承受沖擊載荷時(shí)易產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象[11，12].

由上述分析可以推斷，Ar1溫度附近是網(wǎng)狀碳化物形成的臨界轉(zhuǎn)變溫度.因此，在H13鋼的熱處理與軋制鍛造過程在Ar1(700 ℃)溫度以上，且不應(yīng)有較大的過冷度，以防止網(wǎng)狀碳化物的析出.

網(wǎng)狀碳化物的形成與鋼的化學(xué)成分和鋼錠中碳化物偏析程度有密切關(guān)系，其實(shí)質(zhì)為實(shí)驗(yàn)鋼中Cr，Mo，V等合金元素在凝固過程中極易發(fā)生偏析，進(jìn)而與碳元素反應(yīng)生成碳化物，鋼錠中碳化物偏析程度越大，碳化物密集區(qū)域越容易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物.若工件中出現(xiàn)網(wǎng)狀組織，可通過高溫正火+球化退火來消除，正火溫度在940 ℃左右[13].或通過高溫固溶處理，溶解更多的合金碳化物,也可改善成分偏析的現(xiàn)象，使碳化物溶解至基體中，這樣就避免形成有害鋼件性能的網(wǎng)狀碳化物.

3 結(jié)論

(1)在預(yù)設(shè)的2種熱處理工藝下，實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)奧氏體化并爐冷至Ar1附近不同溫度后，在1號工藝試樣中，晶界處并沒有發(fā)現(xiàn)碳化物顆粒連接成線，網(wǎng)狀碳化物等級為零，而2號工藝試樣的金相組織中，晶界處發(fā)現(xiàn)了大量網(wǎng)狀碳化物，將基體晶粒割裂開來.

(2)Ar1溫度附近是網(wǎng)狀碳化物形成臨界轉(zhuǎn)變溫度，在H13鋼中熱處理與軋制鍛造過程應(yīng)在Ar1(700 ℃)溫度以上，且不應(yīng)有較大的過冷度，以防止網(wǎng)狀碳化物的析出.