一種新型H13鋼力學(xué)性能分析

陳亦楠，沈寅峰，李 訓(xùn)，潘 迪

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

H13（4Cr5MoSiV1）鋼，在較高溫度下具有良好的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、抗冷熱疲勞性能[1-3]。目前H13鋼仍有熱強(qiáng)度不足的問題（600℃以上），導(dǎo)致了使用局限性。國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為其熱強(qiáng)度不足是由于回火時析出富Cr的M7C3型碳化物熱穩(wěn)定性低，高溫下易聚集長大[6]。可通過合金成分優(yōu)化和相應(yīng)的熱處理工藝解決。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

采用真空熔煉+電渣重溶的H13、H13-1鋼，交貨狀態(tài)為退火態(tài)。（表 1）

1.2 實驗方法

850℃×30min，750℃×2h球化退火預(yù)處理，使原始組織均勻化，消除網(wǎng)狀或者粗大碳化物顆粒，減少淬火應(yīng)力。切成10mm×10mm×8mm的試塊分別加熱至1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃，保溫20min油淬。淬火后分別在600℃、620℃、640℃、660℃進(jìn)行二次回火1h后隨爐冷卻。用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察微觀組織，用X射線衍射進(jìn)行物相分析，用洛氏硬度計、電子萬能試驗機(jī)、金屬擺錘試驗機(jī)測定力學(xué)性能[4,5]。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對兩種實驗鋼的組織和硬度的影響

（圖1）H13鋼在1040℃時，H13-1鋼在1060℃時硬度最高。因為隨著淬火溫度升高，碳化物溶解于基體，奧氏體含碳量增加。(圖2c，圖2d）1080℃淬火時，碳化物基本完全溶于基體，奧氏體中的碳含量最高，使淬火后馬氏體的碳含量隨之增加。當(dāng)碳含量低于0.4%時，馬氏體中的碳含量越高，固溶強(qiáng)化作用越顯著，馬氏體硬度和強(qiáng)度也就越高。故隨著淬火溫度增加，合金組織更均勻，偏析系數(shù)降低，硬度、強(qiáng)度增加。

圖1 兩種實驗鋼硬度-淬火溫度曲線

圖2 H13和H13-1實驗鋼1060℃、1080℃淬火溫度的顯微組織（a）H13鋼1060℃ ；（b）H13-1鋼1060℃ ；（c）H13鋼1080℃ ；（d）H13-1鋼1080℃

觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)1000℃淬火時兩種實驗鋼馬氏體組織均不明顯，存在大量隱晶馬氏體。因為當(dāng)淬火溫度較低時，原子擴(kuò)散速率較低，碳原子偏聚，奧氏體晶粒較小，易產(chǎn)生隱晶馬氏體。1060℃淬火時，H13-1鋼中的大顆粒碳化物基本溶解，碳化物數(shù)量減少，而H13鋼中仍有較多碳化物。1080℃淬火時，（圖2c，圖2d）兩種實驗鋼馬氏體組織較之前均變大，片狀馬氏體和板條馬氏體共存。表明由于淬火溫度較高，合金元素擴(kuò)散速率快，碳化物充分溶解，奧氏體晶粒長大速率快，馬氏體組織隨之變大。

（圖1）H13-1鋼的硬度達(dá)到頂峰后下降，因為合金在較高溫淬火時，奧氏體中的含碳量及合金元素的含量較高，奧氏體較穩(wěn)定，使Ms點和Mf點降低。實驗鋼在淬火時，Mf點的溫度低于室溫，使馬氏體組織未充分轉(zhuǎn)化，殘留奧氏體的量增加且晶粒較粗大，淬火后晶粒粗大導(dǎo)致硬度降低。（圖2a，圖2b）1060℃淬火，合金組織均勻，細(xì)小碳化物彌散分布在基體上可強(qiáng)化合金，有較高硬度和較好的耐磨性。同樣H13鋼硬度達(dá)到最高后下降也是由此。綜上兩種實驗鋼淬火溫度選1040℃、1060℃都較適宜。

2.2 回火溫度對顯微組織及其硬度影響

1040℃淬火時，隨著回火溫度的提高兩種實驗鋼的晶粒都在長大。（圖3a，圖3b）H13-1鋼晶粒更小，因為其含Si元素較少，降低Si元素可以細(xì)化奧氏體晶粒提高回火穩(wěn)定性，回火時晶粒組織更穩(wěn)定，更細(xì)小。1060℃淬火時，（圖4）H13-1鋼硬度低于H13鋼，因為H13-1鋼中回火馬氏體基本完全分解，大部分轉(zhuǎn)化為回火索氏體。

圖3 H13鋼和H13-1鋼不同回火溫度的顯微組織和掃描組織（a）H13鋼660℃回火顯微組織；（b）H13-1鋼660℃回火顯微組織；（c）H13鋼600℃回火掃描組織；（d）H13-1鋼600℃回火掃描組織

觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)隨著回火溫度升高，回火馬氏體分解為回火索氏體，殘余奧氏體分解。兩種實驗鋼析出碳化物數(shù)量增加，導(dǎo)致基體中碳元素和合金元素減少，硬度隨之下降。660℃回火時，（圖3b）H13-1鋼碳化物析出較多，尤其是晶界處，大顆粒碳化物可達(dá)到1um，對析出物進(jìn)行EDS和XRD分析，主要是Cr、Mo、Mn、V的M2C3型碳化物。600℃時析出的主要是含Cr的碳化物。600℃回火時H13-1鋼的硬度較高，主要因為H13-1鋼中Mo元素含量較高，Mo是較強(qiáng)的碳化物形成元素，含Mo的碳化物穩(wěn)定不易長大，使晶粒細(xì)化可提高回火穩(wěn)定性，阻礙馬氏體的分解回復(fù)，減少合金元素的析出，故硬度較高。相同的回火溫度下，（圖3c，3d）H13鋼中的馬氏體分解程度低，回火馬氏體組織明顯，而H13-1鋼中已基本轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，因為H13鋼中含有較高的Si元素，Si可緩解馬氏體分解。

1040℃淬火時奧氏體晶粒較小，塑性韌性較好，且回火組織為索氏體，基體碳化物析出分布均勻，基體中合金元素含量較高，具有較好的強(qiáng)度和韌性。故最終選擇1040℃×20min/油淬＋640℃×1h二次回火。

2.3 兩種實驗鋼力學(xué)性能對比

對1060℃和1040℃×20min/油淬＋640℃×1h二次回火處理后的實驗鋼進(jìn)行力學(xué)實驗。（表2）H13鋼的常溫拉伸強(qiáng)度高于H13-1鋼，但斷后伸長率較低，說明H13-1鋼的強(qiáng)度較H13鋼低，韌性較好。600℃工作時，H13-1鋼的高溫抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于H13鋼，有較好的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性能。

表2 實驗鋼在640℃回火后的力學(xué)性能

觀察拉伸后斷口，不同淬火溫度下兩種實驗鋼均為韌性斷裂，H13-1鋼縮頸更明顯。通常拉伸時引起的應(yīng)變硬化越大，縮頸的傾向越小。不同淬火溫度下，兩種實驗鋼斷口均較干凈且存在一定量的韌窩和第二相粒子掉落留下的凹坑。經(jīng)EDS分析，發(fā)現(xiàn)第二相粒子主要為Cr的碳化物。雜質(zhì)及第二相粒子與基體的結(jié)合力較弱，當(dāng)受外拉應(yīng)力作用時，這些部位最易產(chǎn)生微裂紋，隨著拉應(yīng)力增大，裂紋長大直到斷裂。相同熱處理后，H13-1鋼的韌窩較H13鋼多，韌窩小且較深，表明其頸縮傾向更大，且H13鋼斷口有明顯撕裂棱，說明H13-1鋼的韌性較H13鋼要好，有更好的拉伸性能。

觀察沖斷試樣，兩種實驗鋼均被沖斷，斷口均無明顯的縮頸現(xiàn)象，說明斷裂前的塑性變形程度小，塑性較差。H13鋼有局部延性韌窩斷口，斷面起伏較大，韌窩較大且淺，而H13-1鋼斷口較為平整。（表2）H13-1鋼的沖擊吸收能量比H13鋼大，說明H13-1鋼的沖擊韌性要優(yōu)于H13鋼。兩種實驗鋼在1040℃淬火溫度下，沖擊韌性均高于1060℃淬火，故選用1040℃淬火更佳。

3 結(jié)論

①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實驗鋼的硬度。相同淬火溫度下，H13-1鋼的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于H13鋼。回火時H13-1實驗鋼中馬氏體的分解程度要大于H13鋼。②H13-1鋼的高溫拉伸和沖擊性都要優(yōu)于H13鋼。H13-1鋼的高溫性能較好，室溫拉伸強(qiáng)度較小。啥分析兩種實驗鋼淬火、回火組織的和硬度及力學(xué)性能，確定兩種實驗鋼最佳的熱處理工藝均為：1040℃×20min/油淬＋640℃×1h二次回火。

表1 實驗鋼中各元素的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）