淬、回火溫度對含鈰H13鋼組織及硬度的影響

陳 朔, 陳學敏, 徐祺昊, 楊禮林, 唐祖川, 趙莉萍

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院, 內蒙古 包頭 014010)

H13鋼具有較高的熱強度和硬度,在中溫條件下具有較好的韌性、熱疲勞性和一定的耐磨性,在生產中廣泛用于銅、鋁等合金的熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等[1-2]。淬火工藝是提高鋼材硬度、影響模具壽命的重要因素。淬火溫度過高、保溫時間過長,會導致奧氏體粗化,碳化物大量溶于奧氏體中,在淬火時形成針狀馬氏體組織,使得內應力增大,容易開裂。淬火溫度過低,無法充分溶解碳化物,淬火后硬度較低,其強度和耐磨性差[3]。所以為了滿足工件的使用條件,一般會對淬火后的試樣進行回火處理。為使殘留奧氏體轉變充分,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[4]。將淬火工件升溫至低于臨界點的某一溫度,保溫后冷卻至室溫,從而使得組織中的馬氏體與殘留奧氏體發生轉變,使系統穩定。所以,研究熱處理工藝對H13模具鋼組織和性能的影響具有十分重要的意義[5]。本文研究熱處理溫度對不同鈰含量H13鋼淬、回火組織及硬度的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗選用材料為球化退火后的H13鋼,其主要化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction, %)

從表1可以看出,4種試驗鋼化學成分均符合GB/T 1299—2014《工模具鋼》要求(Ce元素除外)。并且通過對比可以發現,未加稀土的試驗鋼其S含量是添加稀土后試驗鋼的6～7倍,說明稀土Ce的加入可明顯減少鋼中有害元素S。

1.2 試驗方法

在退火后的試驗鋼上切取多個15 mm×15 mm×15 mm小方樣,選取不同淬火溫度,在箱式電阻爐內進行高溫淬火試驗,參考文獻[6]制定淬火工藝為,以4 ℃/min升溫至1000、1040、1080 ℃,箱式電阻爐內保溫30 min,取出后油冷至室溫。通過比較不同淬火工藝下的組織,選取合適的淬火溫度進行下一步的回火試驗。設計回火工藝為,經過淬火后的試驗鋼,分別在560、580、600 ℃進行兩次高溫回火,每次保溫2 h,取出后空冷。將試驗鋼打磨、拋光,用4%的硝酸酒精腐蝕后,在光學顯微鏡下進行組織觀察,并用維氏硬度計進行硬度測試,試驗載荷砝碼為30 kg。

2 試驗結果及分析

2.1 淬火組織

H13鋼的淬火溫度一般在1000～1080 ℃之間,文獻[7-8]建議H13鋼的最佳淬火溫度在1050 ℃附近。為了實際探究合適的淬火溫度,選取2種成分(1號、2號)試驗鋼,分別在1000、1040、1080 ℃下淬火30 min后的顯微組織如圖1所示。

由圖1可知,試驗鋼淬火組織為馬氏體+殘留奧氏體+少量顆粒狀未溶碳化物。隨著淬火溫度的升高,顯微組織也出現變化。當淬火溫度為1000 ℃時,試驗鋼中板條狀馬氏體形貌不清晰,晶界不純凈,基體上仍有較多的未溶碳化物存在;當淬火溫度升高到1040 ℃時,可明顯看出,基體組織中的未溶碳化物數量減少,只有少量的碳化物分布于晶粒內部,板條狀馬氏體形貌更為清晰,晶界上的碳化物減少;當淬火溫度升高到1080 ℃時,馬氏體形貌更加明顯,由于淬火溫度的升高,加速了未溶碳化物的溶解,使得晶粒內與晶界附近的碳化物更少,但隨著淬火溫度的升高,奧氏體晶粒明顯長大,組織也出現了粗化的現象。故根據以上組織分析,試驗模具鋼較為適宜的淬火溫度為1040 ℃。

在淬火溫度為1040 ℃的情況下,為了研究稀土含量對淬火組織的影響,選取3種成分的試驗鋼進行淬火,淬火后的顯微組織如圖2所示。

圖2 不同Ce含量試驗鋼經1040 ℃淬火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steel with different Ce contents quenched at 1040 ℃(a) 0Ce; (b) 0.026Ce; (c) 0.038Ce

可以看出,未添加稀土Ce的試驗鋼,其晶粒較為粗大,晶粒尺寸約為100 μm;添加稀土元素Ce后,淬火組織出現了明顯的細化現象,0.026Ce試驗鋼在1040 ℃淬火后得到的晶粒最為細小,晶粒尺寸約為39 μm;而0.038Ce試驗鋼晶粒尺寸約為68 μm,較0.026Ce試驗鋼組織明顯粗大。隨著稀土含量的增加,試驗鋼晶粒的大小出現了“大—小—大”的趨勢,其晶內組織也呈現出“粗—細—粗”的規律。

這是由于稀土進入鋼液中與O、S等元素形成稀土復合夾雜物,呈現球狀分布于鋼液中,在凝固時作為非自發形核的核心,提高了鋼材的形核率,故起到了細化晶粒的作用,鑄態組織細化從而熱處理后的晶粒組織也會被細化。但是當稀土加入量超過了最佳值時,反而會起到反作用,其形成的高熔點難融化合物作為形核核心時會導致夾雜物的聚集與長大,形成合金元素的偏聚區,從而造成晶粒粗大、組織粗化的現象。

2.2 回火組織

試驗模具鋼淬火后,經過第一次回火,組織會轉變為回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物,因為一次回火后的鋼材內部仍存在著較大的內應力和較多的殘留奧氏體。在經過第二次回火后得到回火托氏體+回火馬氏體+碳化物,殘留奧氏體基本消失,消除了殘余內應力[9]。

在最佳淬火溫度1040 ℃下,選取2種成分(1號、2號)試驗鋼分別在560、580、600 ℃下進行二次回火。經二次回火得到的顯微組織如圖3所示。

回火溫度為560 ℃時,組織主要是回火馬氏體+殘留奧氏體+細小的碳化物。隨著回火溫度升高到580 ℃,馬氏體板條變寬,其板條狀形貌變化不大,此時組織逐漸轉變為回火馬氏體+回火托氏體組織。隨著回火溫度進一步升高到600 ℃,馬氏體析出碳化物,基體發生回復,板條狀馬氏體形貌逐漸消失,此時回火組織為回火托氏體+少量碳化物。回火托氏體是中溫回火的產物,是已經發生了回復但仍保留著馬氏體形貌的鐵素體基體與碳化物組成的整合組織,回火托氏體雖仍保留部分馬氏體形貌特征,但其內部亞結構中位錯密度已經大幅度降低[10]。

在580 ℃進行回火時,較560 ℃回火其組織發生了變化,由回火馬氏體向回火托氏體進行轉變,降低材料的強度與硬度,提高了材料的韌塑性;而580 ℃回火同600 ℃進行對比,可發現回火溫度的升高造成了α相的進一步生長與碳化物的聚集長大,提高了材料的韌塑性,但是由于熱作模具鋼工作條件復雜,對于強度、硬度也有一定的要求。故綜合考慮,試驗模具鋼較適宜的回火溫度為580 ℃。

在580 ℃回火溫度下進行二次回火,為了研究稀土含量對回火組織的影響,選取3種成分的試驗鋼進行回火,顯微組織如圖4所示。

不同稀土Ce含量試驗鋼經1040 ℃淬火、580 ℃二次回火后,未加稀土Ce的試驗鋼經回火后其晶粒組織較為粗大,晶粒尺寸約為95 μm;隨稀土Ce的加入,其晶粒與組織出現了明顯的細化現象。0.026Ce試驗鋼的晶粒最為細小,組織最為均勻,晶粒尺寸約為30 μm;之后隨稀土含量的增加,0.038Ce試驗鋼的晶粒尺寸約為45 μm,較0.026Ce試驗鋼晶粒與組織粗化。

2.3 力學性能

對試驗鋼進行不同溫度淬火,探究不同淬火溫度對試驗鋼顯微硬度的影響,其淬火溫度與硬度的關系如表2和圖5所示。

圖5 不同淬火溫度下不同Ce含量試驗鋼的硬度Fig.5 Hardness of the tested steel with different Ce contents quenched at different temperatures

表2 不同淬火溫度下不同Ce含量試驗鋼的硬度(HV30)Table 2 Hardness of the tested steel with different Ce contents quenched at different temperatures (HV30)

如圖5所示,隨著淬火溫度的升高,顯微硬度呈上升趨勢。這是由于隨著淬火溫度的升高,更多的碳化物發生溶解,奧氏體中合金元素和碳含量升高,淬火后的馬氏體硬度升高;奧氏體中合金元素和碳含量升高也會導致馬氏體轉變溫度降低,殘留奧氏體略有增加,使馬氏體硬度略有降低。總體上顯微硬度呈現出上升的趨勢。

在1040 ℃淬火后,對試驗鋼進行560、580、600 ℃二次回火,探究不同回火溫度對試驗模具鋼硬度的影響,其回火溫度與硬度的關系如表3和圖6所示。

圖6 1040 ℃淬火、不同溫度回火后不同Ce含量試驗鋼的硬度Fig.6 Hardness of the tested steel with different Ce contents quenched at 1040 ℃ and tempered at different temperatures

表3 1040 ℃淬火、不同溫度回火后不同Ce含量試驗鋼的硬度(HV30)Table 3 Hardness of the tested steel with different Ce contents quenched at 1040 ℃ and tempered at different temperatures (HV30)

可以看出,相同淬火溫度下,隨著回火溫度的升高,試驗鋼硬度逐漸下降。這是由于隨著回火溫度的升高,試驗鋼中顯微組織出現了變化,在560 ℃回火時,鋼中組織主要是回火馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體;而在600 ℃回火后,鋼中回火馬氏體組織轉變為回火索氏體組織,原本馬氏體形貌基本不可見,且組織發生回復,位錯密度降低,故試驗鋼硬度急劇下降。

3 結論

1) H13熱作模具鋼的最佳淬火溫度為1040 ℃,在此淬火溫度下,板條馬氏體形貌最清晰,晶界上碳化物很少,在保證不出現淬裂風險的條件下綜合性能最為優異。

2) 最佳回火工藝為580 ℃二次回火,顯微組織為回火馬氏體+回火托氏體,材料的強度和硬度以及韌塑性都達到最佳配合。

3) 在稀土Ce含量為0.026%時,晶粒最為細小,組織最為均勻。

4) 試驗鋼淬火后硬度隨淬火溫度的升高而升高,回火后硬度隨回火溫度的升高而逐漸下降;試驗鋼硬度隨稀土Ce含量的增加呈現先增后減的趨勢,當稀土Ce含量為0.026%時,硬度最高。