热处理工艺对钢微观组织的影响范文

H13属于热作模具钢，我国的牌号是4Cr5MoSiV1，是在碳素工具钢中加入Cr、V等合金元素而形成的钢种，在中温下的综合性能好，可空冷淬硬，广泛应用于锻模、压铸模和挤压模，是目前应用最广泛的热作模具钢种之一．由于H13钢中合金元素含量可达到8％左右，合金元素改变了铁碳平衡相图，共析点左移，属过共析钢，在凝固过程中出现二次网状碳化物，如果熔炼和凝固过程控制不当，还会出现Cr和V的一次碳化物和合金元素的偏析．目前很多国内生产厂家的H13钢锻前热处理为简单的球化退火，退火温度低，合金元素不能得到扩散，一次碳化物不能充分熔解，造成组织中存在粗大的一次碳化物，偏析也十分严重，锻造后形成局部的链状碳化物，强烈影响模块的冲击韧度．前期研究表明，高温正火＋球化退火热处理工艺加热温度高，冷却速度快，有利于减少合金元素的偏析，获得分布均匀二次碳化物、细小的组织．本文对前期的预备热处理进行了后续的最终热处理工艺，即淬火＋回火．淬火温度对H13钢的最终性能具有重要的作用，如果淬火温度过低，碳化物溶解不充分，钢的淬透性下降，回火的稳定性降低，硬度达不到要求，温度过高又会导致奥氏体晶粒长大，大量碳化物溶入基体，淬火后出现针状马氏体，且硬度过高，增加热应力，服役容易开裂和折断．因此，有必要研究淬火温度对H13钢的组织和性能的影响，优化淬火工艺，获得组织均匀而细小、弥散程度高、硬度适中的H13钢，进而提高其后续使用性能．

1实验材料的制备

试验用H13钢通过电炉熔炼＋真空精炼＋电渣重熔获得铸锭，将电渣重熔后的铸锭进行锻造．在进行锻造前，首先将铸锭送至天然气加热的热处理炉，以一定的加热速度将铸锭加热到1200℃，在该温度下保温2h，由于加热温度高，保温时间长，碳化物可以达到充分的熔解，合金元素的扩散能力也得到了提高，可以大大改善合金元素的偏析．锻造时，控制始锻温度为1150℃，终锻温度不得低于850℃，保证锻件不硬化，并且保证横向和纵向都锻透，锻造比＞3，将锻造后的H13钢送入热处理炉进行热处理．试验用H13钢化学成分见表1。

2实验结果及分析

2．1高温正火＋球化退火目前国内大多数生产厂家对H13钢的预备热处理工艺是简单的球化退火，并未加高温正火．研究表明，在球化退火前进行正火有利于细化组织和碳化物均匀分布，但正火工艺的研究大多集中在950～980℃左右，通过相图分析发现，实现H13钢完全奥氏体化温度为930～940℃左右，因此，采用950～980℃进行正火的温度偏低．为了使碳化物充分熔解，合金元素得到扩散，进一步提高了正火温度，达到1020℃．如图2所示［4］，采用高温正火＋球化退火的工艺其球化效果非常明显，球化率在95％以上，偏析得到大幅度的改善，晶粒度在7级左右，达到了北美压铸协会标准评级．

2．2淬火温度对H13钢组织的影响淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织．在奥氏体晶粒长大不明显的情况下，适当地提高淬火温度可以加速碳化物的溶解，使奥氏体中含碳量和合金元素量增加，提高淬透性的同时可提高淬火后的硬度，进而在随后回火过程中可以进一步析出弥散的、细小的碳化物，这种组织有利于提高材料的热疲劳性能和回火稳定性，可充分发挥H13钢的潜力．本文选择的淬火温度为950℃、1000℃、1050℃、1100℃，保温1．5h，油淬．

图3所示为分别在950℃、1000℃、1050℃、1100℃炉中保温1．5h后在油中淬火所得的显微组织．通过观察发现，不同保温温度的H13钢淬火后的主相均为马氏体，同时还有残余奥氏体和碳化物，随着淬火温度的提高，碳化物的尺寸和数量减少，但是其晶粒尺寸也得到了相应的增大，这是由于温度的提高导致在奥氏体化过程中，奥氏体晶粒尺寸长大而形成的．为了进一步观察不同温度淬火下H13钢的组织，对试样做了扫描电镜分析．图4所示为通过电镜扫描观察到的分别在950℃、1000℃、1050℃、1100℃炉中保温1．5h后在油中淬火所得的显微组织．通过观察发现，H13钢在在950℃淬火时，其未溶碳化物的尺寸大小不一，最大的碳化物可以达到十几个微米，当提高淬火温度到1000℃时，未溶的碳化物的尺寸较小，但也存在个别的大尺寸碳化物．其主要原因是在较低的温度下进行保温，奥氏体成分还没有足够均匀化，碳化物溶解较少，尤其是大尺寸的碳化物熔解不充分，导致淬火后碳化物组织不均匀；而在1050℃和1100℃淬火后，碳化物进一步得到了减少，其中在1050℃淬火组织碳化物均匀，而在1100℃淬火组织中只存在少量的碳化物，且碳化物的尺寸只有几个微米．在900℃～1180℃的温度范围，碳化物的含量随着温度的升高而下降，当温度达到1180℃时，碳化物全部固溶进奥氏体中［5］．研究表明，随着淬火温度的提高，碳化物溶解得更加充分，当淬火温度为1100℃，保温时间为1．5h时，H13钢的中碳化物几乎全部溶解．虽然这会提高组织的稳定性，但是在后续的回火过程中，不利于碳化物的析出从而强化组织．因为，淬火过程中未溶解的碳化物可以作为回火过程中碳化物析出的形核质点，且过高的淬火温度还会导致奥氏体晶粒的长大，当淬火温度高于1070℃时，奥氏体晶粒有明显的长大．因此从组织上分析，本文选取淬火温度1050℃，保温1．5h为淬火工艺，可以保证奥氏体化过程中晶粒不急剧长大，一部分溶解的碳化物可以提高组织的稳定性、淬透性和淬硬性，未溶解的分布均匀、细小的碳化物可以作为后续回火时的碳化物析出形核质点．

淬火温度对H13钢硬度的影响图5为淬火温度对H13钢硬度的影响，由图可知，随着淬火温度的升高，H13钢的硬度也随之增大，其主要原因是：一方面是淬火温度增加，冷却速度得到了提高，组织中形成的马氏体含量增加，硬度提高；另一方面原因是随着淬火温度的提高加速了合金碳化物的溶解，使淬火后马氏体中的碳和合金元素增加，从而提高H13钢的淬透性和淬硬性，淬火后的硬度自然得到了提高．当淬火温度为1100℃时，H13钢的硬度最大，这对提高H13钢的耐磨性是有利的，但是在该钢的基体上出现了裂纹，如图6所示．因此，本文研究的4个淬火温度，在保证硬度的同时又不出现裂纹，选取1050℃是合适的．

2．3淬火温度对回火组织的影响对热作模具钢H13来说，碳化物细小均匀分布在基体上，对组织的强化是有利的，因此要求淬火后进行后续的回火处理，使淬火熔解的碳化物有一部分从新弥散析出，产生两次硬化现象．研究表明，采用同样的回火工艺进行二次回火后，其组织更加稳定和均匀，且硬度适中，有利于提高热挤压模具的使用寿命［7－9］，回火马氏体基体及其上分布的碳化物是决定H13钢力学性能的本质因素．图7为经过600℃，保温1．5h，不同淬火温度对二次回火组织的影响（1100℃淬火形成裂纹，不分析该热处理回火组织）．对比图3和图7发现，950℃为回火后的组织，为回火马氏体＋残余奥氏体＋少量的铁素体＋碳化物，回火组织中的碳化物颗粒较大，有的碳化物还成链状分布，这是由于淬火温度过低，碳化物熔解不充分，从而影响了回火时碳化物的弥撒析出，且在回火组织中还发现了少量的铁素体，这是由于奥氏体化不充分造成的．1000℃淬火＋回火后的组织为回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物，此时析出的碳化物尺寸区别较大，不利于性能的均匀性．1050℃淬火＋回火后的组织为回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物，碳化物弥撒析出，尺寸差别小，且分布均匀，回火马氏体中还有少量的板条状马氏体，这些都有利于H13钢综合性能的提高．图8为淬火＋回火后的硬度，随着淬火温度的提高硬度提高，造成这种现象的主要原因是，淬火温度提高，熔解在基体中的合金元素越多，淬硬性得到了提高．

3结论

1）在高温正火＋球化退火的预备热处理的基础上进行了淬火＋回火的最终热处理，随着淬火温度的提高，溶解的合金碳化物增多，未溶解的碳化物尺寸变小，当淬火温度为1100℃，保温1．5h，合金碳化物几乎全部溶解．2）淬火温度越高，溶解的合金碳化物越多，熔入基体的合金和碳提高了H13钢淬硬性，淬火硬度随着淬火温度的提高而提高．对淬火组织进行了二次回火，回火后的硬度较淬火硬度低．随着淬火温度的提高，回火析出的碳化物更加细小均匀，回火组织以回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物为主，只有在950℃较低的淬火温度下出现少量的铁素体组织．3）通过对回火组织和硬度的分析，对H13的淬火＋回火最终热处理工艺进行了优化，优化工艺方案为淬火温度1050℃，保温1．5h，油淬，回火温度600℃，保温1．5h．

作者：叶喜葱 程俊 吴彬彬 鄢沥 吴海华 单位：三峡大学 机械与动力学院 武钢集团襄阳重型装备材料有限公司