回火處理對(duì)擠壓輪用H13鋼組織性能的影響

徐寒曉，王延輝，燕云

(1.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028； 2.撫順特殊鋼股份有限公司 技術(shù)中心，遼寧 撫順 113001)*

?

回火處理對(duì)擠壓輪用H13鋼組織性能的影響

徐寒曉1，王延輝1，燕云2

(1.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028； 2.撫順特殊鋼股份有限公司 技術(shù)中心，遼寧 撫順 113001)*

采用金相分析、沖擊韌性試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)及掃描電子顯微鏡等方法，對(duì)擠壓輪用H13熱作模具鋼經(jīng)不同溫度以及不同回火次數(shù)處理后的組織演變和性能變化進(jìn)行研究.結(jié)果表明，帶狀偏析、偽共晶組織的存在可以導(dǎo)致H13鋼抗回火性能的下降.H13鋼在相同回火次數(shù)的條件下，回火溫度越高，硬度下降越多，即抗回火性能越差.在最終熱處理過(guò)程中，應(yīng)該采用高淬高回的熱處理方式.

H13鋼；抗回火性能；碳化物

0 引言

擠壓輪是連續(xù)擠壓機(jī)中的重要部件，在實(shí)際工作中，其使用壽命往往要低于設(shè)計(jì)的使用壽命[1]，因此擠壓輪壽命的長(zhǎng)短直接關(guān)系到擠壓產(chǎn)品的成本問(wèn)題.擠壓輪用H13鋼是具有較好的淬透性、熱強(qiáng)性和冷熱疲勞性的熱作模具鋼[2]，適用于擠壓輪在連續(xù)擠壓機(jī)中的特殊使用條件.但由于在實(shí)際擠壓過(guò)程中，擠壓輪要受到坯料對(duì)其的交變載荷作用，導(dǎo)致輪槽處與坯料接觸的位置摩擦生熱產(chǎn)生的溫度可以達(dá)到600℃左右高溫[3]，這個(gè)溫度并不能確定，但是會(huì)導(dǎo)致輪槽表面熱影響區(qū)發(fā)生再次的回火作用，從而導(dǎo)致了其硬度有所下降.馬強(qiáng)[4]等人對(duì)H13鋼的回火溫度與硬度和組織之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：在淬火工藝一樣的前提下，回火溫度在500～650℃之間硬度隨著回火溫度的升高而降低，組織從回火馬氏體向回火索氏體演變.然而不能單單以室溫硬度作為衡量擠壓輪的使用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但是從文獻(xiàn)得知，高溫下的材料硬度隨著回火溫度的升高以及回火次數(shù)的增加也會(huì)有下降的趨勢(shì)，并且高溫抗拉強(qiáng)度也隨之下降[5- 6].所以可以認(rèn)為，室溫硬度指標(biāo)可以用做為高溫強(qiáng)度的參考指標(biāo)，材料某處的室溫硬度不足，也就代表此處的高溫強(qiáng)度不足，最終此處由于強(qiáng)度不足而導(dǎo)致了開(kāi)裂失效，所以硬度下降的多少也就間接的影響了模具的壽命.盧培民等人對(duì)擠壓輪模具輪槽根部開(kāi)裂的失效進(jìn)行了分析，得出組織中的成分偏析以及網(wǎng)狀碳化物也是導(dǎo)致其失效的原因之一[7].而抗回火性能就是材料在相同溫度下經(jīng)過(guò)多次回火后硬度下降的多少.本文就不同熱處理工藝的擠壓輪用H13鋼的不同溫度下的抗回火性能進(jìn)行了不同溫度下的多次回火試驗(yàn)，探究抗回火性能與組織之間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼為某鋼廠生產(chǎn)的H13熱作模具鋼，擠壓輪的生產(chǎn)工藝為鋼錠原材料-電渣重熔-鍛造-鍛后熱處理-改鍛-鍛后熱處理-粗加工-最終熱處理-精加工.A、B兩擠壓輪是經(jīng)過(guò)不同熱處理工藝生產(chǎn)出的成品擠壓輪，硬度同樣為51.5HRC左右，A擠壓輪的壽命高于B.其化學(xué)成分如表1所示，符合GB/T1299-2000的要求.為保證每個(gè)試樣具有相同的原始組織狀態(tài)，所有試驗(yàn)用料均取自?xún)蓚€(gè)擠壓輪由內(nèi)環(huán)向外徑距離1/3處，分為A、B組及A#、B#組試樣.由于擠壓輪輪槽工作表面溫度可以達(dá)到600℃，所以回火抗性試驗(yàn)的回火溫度選取580、600℃，每次回火時(shí)間為2 h，空冷，做一次到四次的不同回火次數(shù)試驗(yàn).

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 %

將回火后試樣毛坯按NADCA 207-2008標(biāo)準(zhǔn)加工成10 mm×5 mm×55 mm V型缺口沖擊試樣.用HR-150A手動(dòng)洛氏硬度計(jì)和J30A型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能.對(duì)不同回火工藝的沖擊后的試樣，經(jīng)研磨拋光后采用化學(xué)腐蝕，腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液，腐蝕后的試樣在OLYMPUS-BX41M金相顯微鏡下觀察顯微組織，用TESCAN VEGA3掃描電子顯微鏡下觀測(cè)沖擊斷口顯微形貌，以及微觀組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 兩種擠壓輪原始狀態(tài)的顯微組織

兩種不同熱處理工藝生產(chǎn)的擠壓輪試樣微觀組織如圖1和圖2所示：

(a)帶狀偏析 (b)共晶碳化物 (c)回火組織

圖1 A擠壓輪正常熱處理組織

(a)帶狀偏析 (b)共晶碳化物 (c)回火組織

圖2 B擠壓輪正常熱處理組織

圖1、2中(a)分別為兩擠壓輪試樣的帶狀偏析組織.可以看出A、B兩擠壓輪中都有由于鑄態(tài)組織中金屬元素大量聚集在枝晶間而導(dǎo)致的不同程度的偏析，且B比A嚴(yán)重些，組織不均勻.對(duì)照NADCA 207-2008標(biāo)準(zhǔn)屬于合格范圍.圖1、2中(b)可以看出兩擠壓輪組織中都存在不同程度大小的鏈狀、球狀偽共晶，這是由于合金在凝固過(guò)程中各相的凝固時(shí)間不同導(dǎo)致了不平衡凝固，合金元素在液相中不斷富集，并冷卻速度較快所產(chǎn)生的，且B中比A中較多.而這種偏析和偽共晶組織在隨后的多次回火過(guò)程中也不會(huì)消除掉[8]，對(duì)組織的穩(wěn)定性有影響，破壞了組織基體的連續(xù)性，容易成為模具斷裂的裂紋源.2(c)中可以看出兩者的組織主要是回火馬氏體、回火索氏體、彌散碳化物以及殘余奧氏體，并且都存在少量的網(wǎng)狀碳化物沿晶界分布現(xiàn)象.這是由于未溶碳化物聚集長(zhǎng)大，F(xiàn)e3C析出，合金元素向晶界偏聚[9]，于是在在晶間形成網(wǎng)狀碳化物.然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，網(wǎng)狀碳化物很容易形成模具失效的裂紋源[10].從組織圖來(lái)看，隨著碳化物網(wǎng)狀析出越嚴(yán)重，模具的性能越差，越容易早起失效.綜合以上的組織決定了A的回火態(tài)沖擊功值、沖擊韌性要高于B，且A隨著回火次數(shù)的增加以及回火溫度的升高，抗回火性能要優(yōu)于B(圖3所示).

2.2 不同溫度多次回火對(duì)性能的影響

兩擠壓輪的出廠硬度均為51.5HRC左右，對(duì)從兩擠壓輪取下的試樣(A#、B#)經(jīng)過(guò)不同溫度多次的回火，試驗(yàn)后的硬度變化曲線(xiàn)如圖3所示.可以觀察到，A#試樣在580℃和600℃時(shí)經(jīng)四次回火之后硬度分別下降了7.4%和16.5%；B#試樣在580℃和600℃時(shí)經(jīng)四次回火之后硬度分別下降了為12.8%和20.3%.A#、B#兩試樣在600℃溫度下經(jīng)過(guò)四次回火硬度下降程度要比580℃溫度多，即600℃溫度時(shí)的回火抗性要比580℃溫度下要差.且相同溫度下的B#試樣經(jīng)過(guò)多次回火后的硬度比A#試樣下降的多，故B#試樣的抗回火性能要弱于A#試樣，即B擠壓輪的抗回火性能要弱于A擠壓輪.

(a)A#試樣

(b)B#試樣

2.3 不同溫度多次回火對(duì)組織的影響

不同溫度多次回火試驗(yàn)后的微觀組織如圖4～8所示.可以看出，其組織為回火馬氏體、回火索氏體、彌散碳化物以及殘余奧氏體.同樣可以觀察到，同一個(gè)熱處理工藝生產(chǎn)出的擠壓輪試樣，在不同溫度下多次回火中，隨著回火次數(shù)的增加，回火態(tài)組織中的殘余奧氏體逐漸減少，且原來(lái)回火組織中存在的回火馬氏體逐漸向以鐵素體為基體，上面分布著均勻碳化物顆粒所形成的保持原有板條形態(tài)的回火索氏體而轉(zhuǎn)變.隨馬氏體針條狀的粗化，沖擊韌性隨之升高，硬度隨之下降.

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

圖4 A#試樣580℃不同回火次數(shù)組織

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

圖5 A#試樣600℃不同回火次數(shù)組織

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

圖6 B#試樣580℃不同回火次數(shù)組織

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

圖7 B#試樣600℃不同回火次數(shù)組織

(a)580℃回火一次 (b)580℃回火四次 (c)600℃回火一次(d)600℃回火四次

圖8 A#試樣不同回火次數(shù)SEM組織

掃描電子顯微鏡照片可以發(fā)現(xiàn)，A#擠壓輪試樣在回火溫度達(dá)到600℃左右時(shí)，多次回火之后，二次碳化物從回火馬氏體這種不穩(wěn)定的組織中析出并且聚集長(zhǎng)大(圖8).而H13鋼中有較高含量的Cr，而Cr原子在回火馬氏體中可阻止基體的軟化.Cr原子由于形成合金碳化物之后會(huì)大量減少，導(dǎo)致阻止軟化的效果會(huì)有所降低，使得硬度或強(qiáng)度也下降.原來(lái)具有抗高溫軟化性能的細(xì)小的二次析出碳化物MC，將轉(zhuǎn)變成M23C6并且快速粗大化，也就是彌散碳化物有部分在晶界處聚集長(zhǎng)大，形成網(wǎng)狀組織，降低了晶界結(jié)合能，致使晶界弱化，容易形成沿晶界開(kāi)裂的裂紋.高溫回火同樣會(huì)造成碳化物析出且聚集長(zhǎng)大，造成粗化，導(dǎo)致材料內(nèi)部彌散強(qiáng)化的效果變?nèi)酰蛊溆捕戎导彼傧陆担⒆罱K穩(wěn)定于某個(gè)硬度附近[11- 12].由于網(wǎng)狀碳化物越嚴(yán)重，沖擊性能就越差，但是碳化物的析出長(zhǎng)大，并且組織向回火索氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致沖擊性能增加的效果要強(qiáng)于降低的效果.這樣的發(fā)展趨勢(shì)也證明了在一定回火溫度的條件下，隨著回火溫度的升高，回火次數(shù)增加，H13鋼的硬度下降越多，但沖擊韌性會(huì)有所增加.

圖9是A#擠壓輪試樣在不同回火溫度下的不同回火次數(shù)的沖擊斷口SEM組織，從斷口形貌分析可知，得到的沖擊試樣斷口基本由準(zhǔn)解理+韌窩塑坑組成，屬于準(zhǔn)解理斷裂.而準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂與塑性斷裂間的一種過(guò)渡斷裂形態(tài).相同回火溫度下，回火次數(shù)多的(b)、(d)相對(duì)(a)、(c)具有撕裂棱、韌性塑坑較多，而且撕裂棱較短，解理平面也較小，解釋了相同回火溫度下，隨著回火次數(shù)的增加，沖擊韌性也增加.沿晶界有擴(kuò)展的二次裂紋，因?yàn)楹辖鹛蓟镌诰Ы缥龀龆鴮?dǎo)致的網(wǎng)狀碳化物所產(chǎn)生的裂紋.而在600℃和580℃回火溫度下相比之下也是如此，相同回火次數(shù)下，回火溫度高的比回火溫度低的具有更多的撕裂棱和韌性塑坑，而且解理平面較小，沖擊韌性較高.

(a)580℃回火一次 (b)580℃回火四次 (c)600℃回火一次(d)600℃回火四次

圖9 A#試樣不同回火次數(shù)沖擊斷口SEM形貌

綜上所述，影響擠壓輪壽命的主要因素從目前來(lái)看是硬度以及韌性，硬度的高低影響擠壓輪開(kāi)裂的難易和方式，而韌性的高低影響的是開(kāi)裂后的裂紋擴(kuò)展速度.兩個(gè)性能很好的配合才能達(dá)到提高擠壓輪壽命的目的.在擠壓輪生產(chǎn)的淬火回火熱處理處理階段，應(yīng)該使用高淬高回(1 050℃左右淬火+多次回火)的熱處理方式，使碳化物充分溶解，并保證淬火階段充分快速冷卻，減少碳化物聚集，減少晶粒的生長(zhǎng)，這樣H13鋼在600℃的高溫下碳化物析出長(zhǎng)大不明顯，造成的回火硬度下降會(huì)相對(duì)較少，進(jìn)而高溫強(qiáng)度下降較少，使擠壓輪壽命延長(zhǎng).

3 結(jié)論

(1)相同600℃回火溫度的條件下，經(jīng)四次回火后，A試樣硬度下降16.5%，B試樣硬度下降了20.3%.即帶狀偏析、偽共晶組織的存在可以導(dǎo)致H13鋼抗回火性能的下降；

(2)A#試樣在580℃時(shí)經(jīng)四次回火后硬度下降了7.4%，在600℃時(shí)下降了16.5%.即回火溫度越高，抗回火性能越差；

(3)擠壓輪為了得到優(yōu)良的抗回火性能，應(yīng)該采用高淬高回的熱處理方式，使H13鋼在高溫下造成的回火硬度下降相對(duì)較少，使擠壓輪壽命延長(zhǎng).

[1]盧培民, 王延輝, 李冰. 連續(xù)擠壓擠壓輪模具輪槽根部開(kāi)裂失效分析[J]. 熱加工工藝, 2010 (22):191- 193.

[2]鄒安全, 鄧沛然. H13鋼組織與性能對(duì)嗎熱鍛模使用壽命的影響[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2004, 15(24):2248- 2251.

[3]王穎, 樊志新, 宋寶韞. TLJ400型連續(xù)擠壓機(jī)擠壓輪溫度場(chǎng)測(cè)定與模擬[J]. 有色金屬加工, 2007,36(4):42- 45.

[4]馬強(qiáng), 孫葉, 劉瑞雪, 等. 不同回火溫度對(duì)H13鋼沖擊韌度的影響[J]. 金屬加工:熱加工, 2013(15):33- 34.

[5]盧培民, 王延輝, 李冰. 連續(xù)擠壓擠壓輪模具輪槽根部開(kāi)裂失效分析[J]. 熱加工工藝, 2010(22):191- 193.

[6]王金國(guó), 周宏, 蘇源德,等. 高碳高釩高速鋼的高溫硬度及熱處理的研究[J]. 金屬熱處理, 2000(3):22- 24.

[7]李金平, 崔麗. 鍋爐汽包鋼板高溫強(qiáng)度及硬度的研究[J]. 電站系統(tǒng)工程, 1997(3):60- 64.

[8]周健, 馬黨參, 劉寶石, 等. H13鋼帶狀偏析演化規(guī)律研究[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2012,24(4):47- 52.

[9]杜志偉, 劉宗昌, 朱文方, 等. H13鋼淬火, 回火過(guò)程中相變的研究[J]. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2001，20(1)：34- 36，45.

[10]顧佳羽, 李歡. 高溫正火對(duì)H13鋼鍛后組織的影響[J]. 金屬熱處理, 2012,37(6):70- 72.

[11]王文雄, 李訓(xùn)杰, 吳錫侃. AISI H- 13熱作工具鋼之熱處理[J]. 金屬熱處理, 1993(36)：15- 30.

[12]B?RJE LEHTINEN，WILLIAN ROBERT.Microstructural Changes During Tempering of Hot-Work Steels-Comparison of AISI H13 and UHB QRO80”[R]. Swedish Institute for Metals Search Report, 1983.

Effect of Tempering Treatment on Microstructure and Properties of Forged H13 Steel

XU Hanxiao1,WANG Yanhui1,YAN Yun2

(1.Engineering Research Center of Continuous Extrusion, Ministry of Education,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Technical Center,Fushun Special Steel Co.,Ltd,Fushun 113001,China)

The changes of microstructure evolution and property after different heat treatment process at different temperatures and different numbers of tempering of the extrusion wheel with H13 hot-work die steel were studied by using metallographic analysis, impact toughness test, hardness test,SEM and other methods.The results show that the existence of zonal segregation and pseudo eutectic organization can make the properties of tempering resistance of H13 steel declined.The more the higher tempering temperature is the more hardness is decreased,and the worse properties of tempering resistance of the H13 steel under the condition of same times of tempering.High temperature quenching and tempering heat treatment should be used in the process of the final heat treatment.

H13 steel; properties of tempering resistance; carbide

1673- 9590(2017)01- 0112- 05

2015- 12- 29

徐寒曉( 1990- ) ，男，碩士研究生；王延輝( 1961-)，男，副教授,碩士，主要從事連續(xù)擠壓設(shè)備的研究

E-mail:xhx_djtu@163.com.

A