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摘要:研究了感應加熱淬火溫度、回火溫度對H13芯棒鋼組織和硬度性能的影響規律。研究結果表明，在1000～1060℃的溫度范圍內，隨著淬火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度逐漸上升，1060℃后芯棒鋼的硬度基本維持在一個穩定水平;隨著淬火溫度的升高，原奧氏體晶粒尺寸長大;相同回火溫度下細晶組織易于獲得回火索氏體組織，粗晶組織易于獲得回火托氏體組織;在580～700℃范圍內，隨著回火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度呈逐漸降低趨勢，這主要與組織中馬氏體分解、馬氏體碳含量降低、位錯密度降低和碳化物粗化有關;芯棒要獲得相同的硬度水平，當淬火溫度升高時，對應的回火溫度也相應升高，呈現“高淬高回”的特點;淬火溫度均為1060℃時，580～620℃的范圍內回火組織為回火托氏體，660～700℃的范圍內回火組織為回火索氏體。

關鍵詞:淬火;回火;組織;硬度;芯棒鋼

H13鋼具有優良的熱強性、熱疲勞性能、加工性能和性價比，國內外廣泛將其作為熱作模具鋼使用，其熱強性、熱穩定性和淬透性好于高韌性熱作模具鋼5CrNiMo和5CrMnMo，其塑韌性和抗熱沖擊性好于高熱強性熱作模具鋼3Cr2W8V，適合制作壓鑄模、熱擠壓模、高速錘鍛模、連軋芯棒等，一般工作溫度＜700℃。H13鋼從美國引進，對應GB/T1299—2000中牌號4Cr5MoSiV1，屬于中碳合金鋼、過共析鋼，由于其強碳化物形成元素Cr、Mo、V含量較高，是一種空冷硬化鋼，一般通過調質熱處理工藝對性能(強度、韌性和硬度)進行調控，以滿足使用工況對鋼的性能匹配的要求。H13熱處理工藝為退火→調質熱處理(淬火+兩次回火)。其中退火通常有兩種工藝，即常規退火工藝和等溫球化退火工藝［1］。其中，等溫球化退火工藝應用較多，主要目的有:一是降低硬度，改善切削加工性能;二是改善碳化物形態和均勻化組織，作為后續調質熱處理的預備熱處理工藝。退火后通過較高溫度的淬火和快速冷卻可以有效避免和消除退火過程中形成的網狀碳化物［2］。淬火溫度影響著奧氏體化階段碳化物的溶解程度、合金的固溶程度和奧氏體晶粒大小。H13的淬火溫度不應超過1100℃，以保證在獲得較高強度、硬度、耐磨性的同時不造成塑韌性的明顯降低［3］。淬火溫度升高，H13材料的硬度值上升［4］，H13的硬度根據材料應用需求可通過回火溫度進行調整。另外，H13鋼存在二次硬化現象，二次硬化峰主要與M2C、MC類型的碳化物析出有關［5－6］，也有基于二次硬化的溫度區間里沒有發現合金碳化物的析出但有大量條帶狀線條形成的現象而提出二次硬化與［M－C］團(以Mo、Cr、C為主的片狀原子偏聚區，類似G．P．區)有關的理論［7－10］。二次硬化峰值溫度與淬火溫度有關，有研究表明，淬火溫度升高，二次硬化峰值對應回火溫度降低［11］。為使殘奧轉變充分，以提高韌性，需要進行多次回火，增加回火次數可以改善沖擊性能的穩定性［12］。目前行業內H13一般采用兩次回火的工藝。關于H13作為熱作模具鋼使用的熱處理工藝研究文獻較多，但關于H13作為無縫鋼管連軋芯棒使用的熱處理工藝研究卻鮮有報道。H13用作無縫鋼管連軋芯棒，為使材料形成“內韌外強”的復合結構材料，以保證心部材料具有良好抗斷裂韌性，同時外表材料具有較高的硬度性能，需要采用表面感應淬火+整體回火的特殊熱處理工藝進行制造。本文的研究目的是對用于加工成連軋工具的芯棒的H13材料進行表面感應淬火+整體回火的熱處理工藝制度進行研究，從而確定熱處理工藝對表面硬度的影響規律，然后根據耐磨性和塑韌性的要求設計合理的硬度目標，最終確定出合理的熱處理工藝方案。

1試驗材料和方法

H13材質試驗鋼的化學成分見表1。試驗鋼為97的圓鋼，初始組織狀態為退火態。試驗過程中利用感應線圈進行圓鋼表層加熱，然后淬火。感應線圈內徑為123mm，長度為600mm，感應線圈與圓鋼的單邊間隙為13mm，感應線圈的功率為780kW，材料加熱過程的移動速度為10mm/s。研究的感應淬火加熱溫度范圍為1000～1100℃，回火溫度范圍為580～700℃。回火時間為120min。對不同工藝條件下的試樣取樣進行洛氏硬度測試，載荷為150kg，測試標準為ASTME18，每個試樣硬度測試3點，取平均值。

2試驗結果和分析

2．1淬火溫度對硬度的影響H13鋼的淬火組織一般為馬氏體+未溶碳化物顆粒+殘留奧氏體的混合組織。從圖1可以看出淬火溫度對H13芯棒鋼硬度的影響。相同的回火溫度下，在1000～1060℃范圍內，隨著淬火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度逐漸上升，當淬火溫度從1060℃繼續升高時，芯棒鋼的硬度基本維持在一個穩定水平。芯棒鋼的硬度隨淬火溫度升高呈先升高后維持穩定的現象，主要與淬火溫度對芯棒鋼材料中合金元素的固溶程度影響有關。當淬火溫度升高，原先以析出碳化物形式存在的合金元素重新固溶、均勻化并在后續的回火過程中重新彌散、均勻析出，從而使硬度得以提高;但當合金元素已獲得充分固溶后，這種影響機制逐漸消失，因而在性能上表現為硬度不再繼續升高而是保持不變。淬火溫度的升高還會引起奧氏體平均晶粒尺寸的增加［13］，從而對塑韌性造成不利影響。因此，需要綜合淬火溫度對合金固溶程度、硬度、奧氏體平均晶粒尺寸的影響來選擇合適的淬火溫度。

2．2回火溫度對硬度的影響從圖2可看出回火溫度對H13芯棒鋼硬度的影響，相同的淬火溫度下，在580～700℃范圍內，隨著回火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度呈逐漸降低趨勢。回火溫度從580℃升高至620℃時，芯棒鋼的硬度呈緩慢下降趨勢，且與淬火態硬度相比下降不明顯，說明H13芯棒鋼在580～620℃的范圍內具有較好的抗回火穩定性，在620℃下服役性能較穩定。但是當回火溫度從620℃起繼續升高至700℃時，芯棒鋼的硬度開始快速下降。以淬火溫度為1060℃時為例，回火溫度從580℃升高至620℃，硬度(HRC)從55．7降低至51．1;回火溫度繼續升高至640℃和700℃時，硬度(HRC)則分別進一步降低至45．6和32．4。如果期望H13的硬度(HRC)為33～40，則需要回火溫度為640～680℃。H13芯棒鋼在580～700℃的回火溫度范圍內，未出現明顯的二次硬化峰。一般對于H13材質，二次硬化峰溫度為520～560℃，二次硬化的產生主要與M2C、MC的析出或［M－C］團的形成有關［8－10，13］。從圖2還可以看出，芯棒要獲得相同的硬度，當淬火溫度升高時，對應的回火溫度也相應升高，呈現“高淬高回”的特點。

2．3淬火溫度對淬硬層深度的影響芯棒的制作方法為采用感應加熱的方式進行表面淬火處理，后續經過整體橫截面的回火形成表面和內部不同熱處理的組織和性能，獲得表面硬度較高、內部硬度較低的材料構造，從而使芯棒表面獲得較高的耐磨性和內部獲得較好的韌性(較強的抵抗沖擊斷裂失效的能力)。表2為感應加熱過程中淬火溫度對硬化層硬度和硬化層(HRC＞48)深度的影響規律，總體趨勢為:在1000～1060℃的范圍內淬火時，隨著淬火溫度的升高，硬化層的硬度逐漸升高，同時硬化層(HRC＞48)深度也逐漸增加。另外，從表2可以看出，退火態的基體和淬火態的硬化層兩個位置的硬度(HRC)分別為25．4～28．5和51．5～56．3。表3為淬火溫度和回火溫度對芯棒硬度的影響規律，可見回火態硬度相比于淬火態有所降低，通過選擇合適的溫度進行回火可以降低或調整感應加熱表面淬火硬化層的硬度。選擇高硬度有利于表面耐磨性能的提高，但同時要考慮芯棒工作時服役溫度對硬度性能穩定性的影響(芯棒使用時表層溫升致使硬度下降);另外，硬度過高，芯棒表面易形成疲勞裂紋，所以根據不同機組實際工況選擇芯棒硬度尤為重要。

2．4回火溫度對顯微組織的影響回火過程實質是淬火馬氏體中過飽和元素的脫溶、析出和長大的過程，過程的進行速度與元素擴散有關，即與鋼中合金元素密切相關。淬火溫度均為1060℃時，不同回火溫度下組織的變化情況如圖3所示。580～620℃的范圍內回火組織為回火托氏體，660℃～700℃的范圍內回火組織為回火索氏體。回火溫度較低時(不高于650℃)，由于合金碳化物的析出和不易粗化，合金碳化物對界面起到有效的釘扎作用，馬氏體的鐵素體板條形貌難以改變，因此回火后也不能得到回火索氏體組織，而仍然呈回火托氏體組織［8］。隨著回火溫度的升高，碳化物發生轉變，600℃回火的碳化物主要為Fe3M3C、Mo2C、VC和Cr7C3，650℃回火的碳化物主要為Fe3M3C、VC和Cr7C3［6］，隨著回火溫度的繼續升高，Mo2C和Cr7C3會轉變成M6C、M23C6［9］。回火溫度升高，馬氏體分解，馬氏體中碳含量降低，馬氏體中板條位錯密度降低，板條發生回復和再結晶，碳化物數量增多但同時碳化物粗化，這是導致硬度降低的組織原因［14］。結合回火溫度升高對顯微組織轉變和硬度降低的影響規律，可見H13材料適合在620℃及以下溫度范圍內使用，高于620℃后如受熱不均，H13材料各處的硬度降低程度不一(軟化程度不同)，會出現局部塑性變形，從而促進冷熱疲勞裂紋的形成。回火溫度均為620℃時，不同淬火溫度下組織的變化情況如圖4所示。1040℃淬火時，H13材料的原奧氏體晶粒細小，冷卻相變后形成的組織也細小，有利于塑韌性提高;淬火溫度由1040℃升高到1060℃時，原奧氏體晶粒已有較明顯的長大;繼續升高到1080℃時，原奧氏體晶粒混晶現象明顯;升高到1100℃時，原奧氏體晶粒已經由1040℃時的約10μm長大到了約30μm。1040℃和1100℃淬火，同時回火溫度均為620℃時，兩者的硬度(HRC)分別為48．6和51．5。淬火溫度較高時，合金元素固溶含量高，抵抗回火軟化的能力更強，圖4的組織中也可見相同的回火溫度(620℃)下淬火溫度為1100℃時的調質態組織為回火托氏體，淬火溫度為1040℃時的調質態組織為介于回火托氏體和回火索氏體的組織。

3結論

(1)相同的回火溫度下，在1000～1060℃范圍內，隨著淬火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度逐漸上升;當淬火溫度從1060℃繼續升高時，芯棒鋼的硬度基本維持在一個穩定水平。隨著淬火溫度的升高，原奧氏體晶粒尺寸長大，相同的回火溫度下，較高溫淬火得到回火托氏體組織，較低溫淬火得到回火索氏體組織。(2)相同的淬火溫度下，在580～700℃范圍內，隨著回火溫度的升高，芯棒鋼材料的硬度呈逐漸降低趨勢，這主要與組織中馬氏體分解、馬氏體碳含量降低、位錯密度降低和碳化物粗化有關。芯棒要獲得相同的硬度水平，當淬火溫度升高時，對應的回火溫度也相應升高，呈現“高淬高回”的特點。(3)在1000～1060℃的范圍內淬火時，隨著淬火溫度的升高，硬化層的硬度逐漸升高，同時硬化層(HRC＞48)深度也逐漸增加。(4)淬火溫度均為1060℃時，580～620℃的范圍內回火組織為回火托氏體，660～700℃的范圍內回火組織為回火索氏體。

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作者：陸明和 胡平 單位：寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院