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H13屬于熱作模具鋼，我國(guó)的牌號(hào)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(yīng)用于鍛模、壓鑄模和擠壓模，是目前應(yīng)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(dá)到8％左右，合金元素改變了鐵碳平衡相圖，共析點(diǎn)左移，屬過(guò)共析鋼，在凝固過(guò)程中出現(xiàn)二次網(wǎng)狀碳化物，如果熔煉和凝固過(guò)程控制不當(dāng)，還會(huì)出現(xiàn)Cr和V的一次碳化物和合金元素的偏析．目前很多國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的H13鋼鍛前熱處理為簡(jiǎn)單的球化退火，退火溫度低，合金元素不能得到擴(kuò)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(yán)重，鍛造后形成局部的鏈狀碳化物，強(qiáng)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(xì)小的組織．本文對(duì)前期的預(yù)備熱處理進(jìn)行了后續(xù)的最終熱處理工藝，即淬火＋回火．淬火溫度對(duì)H13鋼的最終性能具有重要的作用，如果淬火溫度過(guò)低，碳化物溶解不充分，鋼的淬透性下降，回火的穩(wěn)定性降低，硬度達(dá)不到要求，溫度過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大，大量碳化物溶入基體，淬火后出現(xiàn)針狀馬氏體，且硬度過(guò)高，增加熱應(yīng)力，服役容易開(kāi)裂和折斷．因此，有必要研究淬火溫度對(duì)H13鋼的組織和性能的影響，優(yōu)化淬火工藝，獲得組織均勻而細(xì)小、彌散程度高、硬度適中的H13鋼，進(jìn)而提高其后續(xù)使用性能．

1實(shí)驗(yàn)材料的制備

試驗(yàn)用H13鋼通過(guò)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(jìn)行鍛造．在進(jìn)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(shí)間長(zhǎng)，碳化物可以達(dá)到充分的熔解，合金元素的擴(kuò)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(shí)，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(jìn)行熱處理．試驗(yàn)用H13鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1高溫正火＋球化退火目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠家對(duì)H13鋼的預(yù)備熱處理工藝是簡(jiǎn)單的球化退火，并未加高溫正火．研究表明，在球化退火前進(jìn)行正火有利于細(xì)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(guò)相圖分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)H13鋼完全奧氏體化溫度為930～940℃左右，因此，采用950～980℃進(jìn)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(kuò)散，進(jìn)一步提高了正火溫度，達(dá)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(jí)左右，達(dá)到了北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)．

2．2淬火溫度對(duì)H13鋼組織的影響淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織．在奧氏體晶粒長(zhǎng)大不明顯的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣叽慊饻囟瓤梢约铀偬蓟锏娜芙猓箠W氏體中含碳量和合金元素量增加，提高淬透性的同時(shí)可提高淬火后的硬度，進(jìn)而在隨后回火過(guò)程中可以進(jìn)一步析出彌散的、細(xì)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(wěn)定性，可充分發(fā)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(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，不同保溫溫度的H13鋼淬火后的主相均為馬氏體，同時(shí)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(shù)量減少，但是其晶粒尺寸也得到了相應(yīng)的增大，這是由于溫度的提高導(dǎo)致在奧氏體化過(guò)程中，奧氏體晶粒尺寸長(zhǎng)大而形成的．為了進(jìn)一步觀察不同溫度淬火下H13鋼的組織，對(duì)試樣做了掃描電鏡分析．圖4所示為通過(guò)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(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，H13鋼在在950℃淬火時(shí)，其未溶碳化物的尺寸大小不一，最大的碳化物可以達(dá)到十幾個(gè)微米，當(dāng)提高淬火溫度到1000℃時(shí)，未溶的碳化物的尺寸較小，但也存在個(gè)別的大尺寸碳化物．其主要原因是在較低的溫度下進(jìn)行保溫，奧氏體成分還沒(méi)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(dǎo)致淬火后碳化物組織不均勻；而在1050℃和1100℃淬火后，碳化物進(jìn)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(gè)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(dāng)溫度達(dá)到1180℃時(shí)，碳化物全部固溶進(jìn)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(dāng)淬火溫度為1100℃，保溫時(shí)間為1．5h時(shí)，H13鋼的中碳化物幾乎全部溶解．雖然這會(huì)提高組織的穩(wěn)定性，但是在后續(xù)的回火過(guò)程中，不利于碳化物的析出從而強(qiáng)化組織．因?yàn)椋慊疬^(guò)程中未溶解的碳化物可以作為回火過(guò)程中碳化物析出的形核質(zhì)點(diǎn)，且過(guò)高的淬火溫度還會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，當(dāng)淬火溫度高于1070℃時(shí)，奧氏體晶粒有明顯的長(zhǎng)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(guò)程中晶粒不急劇長(zhǎng)大，一部分溶解的碳化物可以提高組織的穩(wěn)定性、淬透性和淬硬性，未溶解的分布均勻、細(xì)小的碳化物可以作為后續(xù)回火時(shí)的碳化物析出形核質(zhì)點(diǎn)．

淬火溫度對(duì)H13鋼硬度的影響圖5為淬火溫度對(duì)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(dāng)淬火溫度為1100℃時(shí)，H13鋼的硬度最大，這對(duì)提高H13鋼的耐磨性是有利的，但是在該鋼的基體上出現(xiàn)了裂紋，如圖6所示．因此，本文研究的4個(gè)淬火溫度，在保證硬度的同時(shí)又不出現(xiàn)裂紋，選取1050℃是合適的．

2．3淬火溫度對(duì)回火組織的影響對(duì)熱作模具鋼H13來(lái)說(shuō)，碳化物細(xì)小均勻分布在基體上，對(duì)組織的強(qiáng)化是有利的，因此要求淬火后進(jìn)行后續(xù)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(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)象．研究表明，采用同樣的回火工藝進(jìn)行二次回火后，其組織更加穩(wěn)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(xué)性能的本質(zhì)因素．圖7為經(jīng)過(guò)600℃，保溫1．5h，不同淬火溫度對(duì)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(duì)比圖3和圖7發(fā)現(xiàn)，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(guò)低，碳化物熔解不充分，從而影響了回火時(shí)碳化物的彌撒析出，且在回火組織中還發(fā)現(xiàn)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(shí)析出的碳化物尺寸區(qū)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(xiàn)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(jié)論

1）在高溫正火＋球化退火的預(yù)備熱處理的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dāng)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(duì)淬火組織進(jìn)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(xì)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(xiàn)少量的鐵素體組織．3）通過(guò)對(duì)回火組織和硬度的分析，對(duì)H13的淬火＋回火最終熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)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(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 武鋼集團(tuán)襄陽(yáng)重型裝備材料有限公司