H13鋼是一種廣泛應用于世界各地的熱作模具鋼直接影響模具的使用壽命H13鋼材質(zhì)量的重要因素是帶狀偏析和偏析帶中的大質(zhì)量的重要因素H13鋼中常見的缺陷

模具鋼，圖源網(wǎng)絡

北美壓鑄協(xié)會專門制定H13退火組織評級圖(NADCA207-2003)作為評價H13鋼退火質(zhì)量標準退火組織中的嚴重帶狀偏析將繼承回火，嚴重影響鋼的力學性能。因此，研究帶狀偏析的形成和轉化規(guī)律，以改進H13然后提高了鋼的質(zhì)量H13鋼的壽命具有重要意義

作者系統(tǒng)研究H13帶狀偏析在鋼熱處理過程中的偏析的形成和演變規(guī)律，提出減少帶狀偏析的工藝措施，指導工業(yè)生產(chǎn)

試驗鋼采用非真空感應爐初煉 電渣重熔，鋼錠重量約75kg，經(jīng)1160~1180℃加熱鍛造成70mm圓棒，平均鍛造比約為4？鍛造成品冷卻后，880℃×2h~760℃×4h等溫退火試驗鋼的化學成分如表1所示

金相樣品用4%硝酸酒精腐蝕，用光學顯微鏡和發(fā)射掃描電子顯微鏡和能譜分析儀觀察和分析圓棒心的顯微組織碳化物的類型、形狀、尺寸和成分；顯微硬度計用于測量顯微硬度

2.1鑄造組織向退火組織的轉換

1.組織中可以看到大量合金碳化物富集的偏析帶和偏析帶之間存在的共晶碳化物[圖1(b)]?

( a ) 50 倍金照片；( b

圖1. H13鋼的鑄態(tài)組織

在凝固過程中，碳和合金元素含量較低，形成枝晶臂[圖1(b)中灰白色區(qū)域1(b)由于金屬元素的豐富，當液體過飽和時，第二相粒子會沉淀出來。這些第二相粒子聚集在分支晶體之間，成為凝固過程中的微觀偏析來源。在最終凝固的中心區(qū)域，碳和金屬元素（主要是釩）會形成不平衡的亞穩(wěn)定共晶碳化物，主要是MC共晶碳化物呈白亮條狀1(b)?所以，H13鋼鑄態(tài)組織中的大量金屬元素是后續(xù)組織中帶狀偏析的直接原因

( a ) 橫向；( b )

圖3. H13 退火金相組織

圖3顯示了試驗鋼經(jīng)等溫退火處理后的水平縱向組織。消除熱鍛拔長和等溫退火H13鋼的帶狀偏析效果不明顯嗎？鋼錠熱加工鍛造過程中，原鑄造組織枝晶偏析沿變形方向拉長，逐漸與變形方向一致。枝晶偏析仍保留在一定程度上，形成碳和金屬元素的貧化帶[圖3(b)富化帶[圖片3(b)中“深色區(qū)域”]彼此交替堆疊的形貌?兩偏析帶分別對應原鑄態(tài)組織中的枝晶臂和枝晶間?

偏析導致碳和金屬元素的貧化帶富化帶固相變化溫度不同。在等溫球化退火過程中，碳化物漸減少表面Oswald成熟的形式從小顆粒遷移到大顆粒，最終形成大碳化物和小碳化物交替排列在鐵素體上的形狀鍛造，但不能完全消除碳化物，碳化物分布在二次碳化物密集區(qū)（圖6）

圖6. 退火組織中的共晶碳化物

2.2淬火處理后帶狀偏析的轉化

圖7為H13經(jīng)過1030℃淬火組織的帶狀偏析遺傳于淬火組織

(a) 橫向;(b) 縱向 ?

圖7. H13 淬火金相組織

由于馬氏體相變是一種無擴散性轉變，淬火后金屬元素分布不均勻保留1030℃在奧氏體化過程中，退火組織(Cr,Fe)7C3?M6C等相完全溶解成奧氏體，部分MC相(包括顆粒和共晶碳化物)淬火后殘留，因為溶點較高。MC碳化物分布不均勻的結果是殘留物MC碳化物集中分布的區(qū)域在高溫淬火后仍保持較高水平

這是因為細碳化物顆粒對晶界的釘扎作用和金屬元素的豐富降低了碳原子的擴散速度，從而抑制了晶粒的生長？1100℃高溫淬火熱處理仍然不能消除組織中的粗大共晶碳化物，導致這些碳化物保留H13鋼的最終回火狀態(tài)(圖12)

( a ) 深色區(qū)域；( b )

圖12. H13回火組織

回火組織中仍存在帶狀差異，這是淬火后帶狀偏析的組織遺傳。但高溫回火后，隱針和針狀馬氏體區(qū)域不明顯，組織為回火馬氏體和小碳化物

金屬元素的不均勻分布直接導致回火轉變過程中組織轉變差異，回火組織的不均勻性影響H13鋼的最終力學性能最終獲得H13橫向縱向成品V缺口沖擊試樣沖擊功分別為6.1和13.4J，等向性僅為0.46?可以看出，帶狀組織在傳統(tǒng)的熱處理后，只有較低的機械性能，特別是微硬度較高的帶狀偏析區(qū)，由于共晶碳化物的集中分布較大，材料在外力作用下容易產(chǎn)生應力集中，是組織中較弱的區(qū)域

一般來說，在相同的冶煉條件下，隨著尺寸的增加，鋼錠心臟的力學性能有下降的趨勢，即所謂的尺寸效應工業(yè)應用的大型模具鋼受帶狀偏析的影響更嚴重。

模具的使用壽命與鋼的沖擊韌性密切相關。Corwyn測試了532個不同退火帶狀偏析級別的模塊。研究發(fā)現(xiàn)，退火組織的優(yōu)缺點與沖擊韌性有一定的關系？如果退火組織中有嚴重的碳化物偏析帶，則偏析帶中有大量的液析共晶碳化物，該缺陷將保持回火，對鋼的沖擊韌性有很大的影響？帶狀偏析不僅影響鋼的沖擊韌性，而且影響一系列重要性能，如抗拉強度，從而降低鋼的等向性？

如上述常規(guī)熱處理(退火)-淬火-回火)不能顯著改善元素的不均勻分布，也不能消除帶狀偏析。雖然鍛造或軋制可以減少帶狀偏析帶寬，但仍不能從根本上消除偏析？因此，退火前原組織的均勻性對鋼的質(zhì)量有重要影響，控制退火前組織的均勻性對均勻退火組織具有重要意義

長期高溫擴散退火不僅可以改善元素的不均勻分布，還可以溶解偏析帶中的大型共晶碳化物，減小其尺寸，減少一次共晶碳化物對鋼材力學性能的影響。高溫擴散溫度和時間的選擇應考慮以下兩個方面：

1)盡量提高擴散溫度，增加擴散時間，盡量減少金屬元素的偏析指數(shù)，但應考慮高溫和長期擴散引起的脫碳和晶粒的異常生長

2)有文獻報道稱，在高溫擴散后，采用特殊的細化方法恢復生長的晶粒，并采用這工藝進行改進H13提高退火組織的均勻性H13綜合性能，筆者將采用類似的工藝H13橫向縱向沖擊功(V分別提高型缺口10.2和14.2J，等向性達到0.72，但仍需進一步的試驗研究來改進H13橫向沖擊韌性達到世界先進水平

1)H13鋼鑄分支晶體組織存在嚴重的成分分析，熱變形后沿鍛造方向分布，導致退火組織帶狀碳化物分析，表現(xiàn)為碳化物尺寸分布和密度差異，帶狀分析的本質(zhì)是金屬元素的成分分析

2)H13鋼退火帶狀偏析將繼承到淬火和回火。偏析帶之間的組織轉變存在差異，組織不均勻性的影響H13鋼的綜合性能

3)常規(guī)熱處理不能消除退火組織中偏析帶中的大型液析共晶碳化物。這些碳化物保持在鋼的回火狀態(tài)H13鋼的沖擊韌性影響很大

4)控制良好的退火組織可以制造出高品質(zhì)H13熱模鋼熱模鋼

文獻來源：周健(鋼鐵研究院)，H13研究了鋼帶偏析的演化規(guī)律，內(nèi)容被刪除

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