H13钢热处理工艺试验研究
| 摘要：H13钢是一种淬透性高、韧性好、有良好冷热疲劳性能的新型热作模具钢。H13等温球化退火的原始组织比常规退火的原始组织理想，之后经淬火一回火处理的热作模具其使用寿命比普通退火后再经淬火一回火的要高1.5倍。试验研究证实，只要避开回火脆性区，中低温回火对H13来说更为可取。
关键词：等温球化退火 中低温回火 预热处理 冷热疲劳性能 1、前言 H13钢是一种新型热作模具钢，淬透性高、韧性好、有良好的冷热疲劳性能，可广泛应用于要求高韧性和冷热疲劳抗力、工作温度<700℃的热作模具零件，其使用寿命远高于第一代热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2W8V。大冶等特殊钢厂对H13的研制作了大量卓有成效的工作，在上世纪九十年代初已批量生产投入市场，使用效果很好。目前H13钢的热处理工艺也日趋完善，以下就H13钢的热处理工艺、特别是相关因素对该钢热处理效果的影响进行一些分析。 2、H13试验钢样的化学成分 H13试验用钢化学成分见表1，该化学成分符合GB1299-85要求。 表1 H13钢样的化学成分
3、锻件退火工艺对H13钢淬火加热组织性能的影响 H13钢无论是经电渣重熔冶炼还是电炉冶炼，使用前均须按严格的工艺进行锻造，一般总锻造比≥3，锻造时必须通过多次镦粗和拔长，以改善锻件致密度、组织均匀度和碳化物的分布状况。由于H13钢含合金元素较高，其塑性和韧性较差，锻造时变形抗力较大，导热性差，共晶温度较低，易出现粗晶乃至过烧。因此H13钢除了在锻造时需严格控制上限温度、加热和冷却均需缓慢进行外，锻件退火工艺的选择对淬火加热组织以及力学性能均有十分明显的影响。为此我们对H13钢锻后的退火工艺进行了较为系统的试验研究，以便作为淬火加热前的准备。 H13钢经常规退火和等温球化退火后组织性能的比较见表2。 将经常规退火等温球化退火的H13试样经680℃→820℃预热，最终分别加热至1030℃、1050℃、1070℃、1100℃保温油淬，并均经560℃高温回火，热处理后其力学性能比较如表3所示。 表2 H13钢锻件常规退火、等温球化退火组织性能比较
表3 H13钢经常规退火和等温球化退火、不同温度加热淬火、同一温度回火后试样的力学性能比较
4、回火工艺对H13钢组织性能的影响 H13钢淬火组织是板条马氏体+未熔碳化物及残余奥氏体。为消除残余应力和残余奥氏体，并使马氏体韧化，必须对淬火组织进行不少于二次的高温回火。通常模具淬火后，当温度低于70℃时就应尽快回火（特别是形状复杂的热作模具尤为如此），为了避免热作模具回火时重新产生残余应力，在回火加热和冷却时应缓慢进行。 一般国内外H13钢淬火后都采用504℃-650℃高温回火，但应当注意高温回火易使热作模具钢发生热磨损和早期失效。近来人们注意到，H13钢如经350℃左右中低温回火，芯部可以具有更好的强韧配合和热疲劳性能，同时又不出现兰脆现象，为考证回火温度对H13钢组织性能的影响，特将在1060℃淬火的试件作不同温度的回火试验，其结果如表4所示。 表4 经1060℃加热淬火的H13钢样在不同温度下回火后的力学性能
5、试验结果讨论 H13钢锻件进行淬火加热前必须进行退火处理，退火工艺现大多数采用常规退火，这种退火获得片状珠光体+粒（块）状碳化物，特别是锻造工艺不当时，还可能有大量块状碳化物存在，这给淬火组织及其性能带来不利影响；加之H13钢含Cr、V量高，这种复杂的合金碳化物是常规退火工艺所无法消除的。等温球化退火获得的是球状珠光体+弥散分布的细粒状合金碳化物，这种弥散分布的细颗粒碳化物在淬火加热过程中是形核的核芯，特别是在680℃预热段，合金碳化物的弥散度进一步提高，达到820℃预热段时不仅使合金碳化物弥散度更甚（对形状复杂的模具应分别在480℃、760℃和850℃预热），而且避免了因过快加热导致模具型腔内形成温度梯度而引起的变形。同时，弥散组织还可使奥氏体进一步均匀化，经等温球化退火的原始组织，在淬火加热过程中先经两段预热作了充分的淬火加热准备，并在淬火加热温度时，有细小弥散分布的合金碳化物作为核芯，可以大大细化淬火组织，从而使淬火组织的强度、硬度和综合性能得到显著提高。与高韧性的热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo相比，H13钢具有更高的热强性、耐热性和耐磨性。如表3所示，随淬火加热温度的提高，加速了碳化物的溶解，使淬火后的马氏体中碳和合金元素增加，钢的强度和硬度明显增高。不过淬火加热温度过高，将导致奥氏体晶粒长大，从而降低模具的塑性和韧性，一般而言，H13钢淬火加热温度不超过1100℃。另外，含Cr、Mo、V高的H13钢经等温球化退火后的原始组织，会使淬火后的马氏体含碳和合金元素较多，马氏体中的Mo、V等合金元素可以提高回火稳定性，同时在二次回火过程中又析出新的弥散分布状的碳化物，又增加了二次硬化效果。回火过程中析出的合金碳化物与作为淬火形核的核芯的合金碳化物，不仅硬度高而且综合性能好，从而使H13钢热稳定性、热疲劳性能得以全面提高。 笔者曾将经不同热处理工艺处理的H13热作模具钢在深圳某模具厂进行使用寿命考核，结果证明，经等温球化退火―淬火―回火的挤压模使用寿命是经常规退火―淬火―回火挤压模的1.5倍。与此同时，对经不同温度回火的热作模具也进行了对比试验，结果证明，经580℃高温回火与经350℃中低温回火的同种模具使用寿命相当，而且发现经高温回火的模具在使用过程中有一件早期失效。这就进一步证实了经350℃回火的H13钢由于其芯部具有较好的强韧配合和热疲劳性能，加之可能由于在350℃回火因残余奥氏体的存在使材料断裂吸收更多的能量，并且改变了裂纹方向及裂纹尖端的应力和应变状态，进而提高了钢的韧性，使模具的寿命得以提高。 必须指出，H13钢在425℃-520℃范围内回火在出现二次硬化的同时出现回火脆性，从而冲击韧性显著降低，所以H13钢回火应避免在回火脆性发生区进行。 参考文献： 1、合金钢手册编写组. 合金钢手册第三册. 冶金工业出版社，1983. (湖南科技大学 邹安全 邓芬燕)
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