徐寒曉，王延輝，燕云

(1.大連交通大學 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 技術中心，遼寧 撫順 113001)*

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回火處理對擠壓輪用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 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 技術中心，遼寧 撫順 113001)*

采用金相分析、沖擊韌性試驗、硬度試驗及掃描電子顯微鏡等方法，對擠壓輪用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行研究.結果表明，帶狀偏析、偽共晶組織的存在可以導致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.在最終熱處理過程中，應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)擠壓機中的重要部件，在實際工作中，其使用壽命往往要低于設計的使用壽命[1]，因此擠壓輪壽命的長短直接關系到擠壓產(chǎn)品的成本問題.擠壓輪用H13鋼是具有較好的淬透性、熱強性和冷熱疲勞性的熱作模具鋼[2]，適用于擠壓輪在連續(xù)擠壓機中的特殊使用條件.但由于在實際擠壓過程中，擠壓輪要受到坯料對其的交變載荷作用，導致輪槽處與坯料接觸的位置摩擦生熱產(chǎn)生的溫度可以達到600℃左右高溫[3]，這個溫度并不能確定，但是會導致輪槽表面熱影響區(qū)發(fā)生再次的回火作用，從而導致了其硬度有所下降.馬強[4]等人對H13鋼的回火溫度與硬度和組織之間的關系進行了研究，得出結論：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度標準，但是從文獻得知，高溫下的材料硬度隨著回火溫度的升高以及回火次數(shù)的增加也會有下降的趨勢，并且高溫抗拉強度也隨之下降[5- 6].所以可以認為，室溫硬度指標可以用做為高溫強度的參考指標，材料某處的室溫硬度不足，也就代表此處的高溫強度不足，最終此處由于強度不足而導致了開裂失效，所以硬度下降的多少也就間接的影響了模具的壽命.盧培民等人對擠壓輪模具輪槽根部開裂的失效進行了分析，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行了不同溫度下的多次回火試驗，探究抗回火性能與組織之間的關系.

1 試驗方法

試驗用鋼為某鋼廠生產(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.其化學成分如表1所示，符合GB/T1299-2000的要求.為保證每個試樣具有相同的原始組織狀態(tài)，所有試驗用料均取自兩個擠壓輪由內(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到600℃，所以回火抗性試驗的回火溫度選取580、600℃，每次回火時間為2 h，空冷，做一次到四次的不同回火次數(shù)試驗.

表1 試驗用鋼化學成分 %

將回火后試樣毛坯按NADCA 207-2008標準加工成10 mm×5 mm×55 mm V型缺口沖擊試樣.用HR-150A手動洛氏硬度計和J30A型沖擊試驗機測試其力學性能.對不同回火工藝的沖擊后的試樣，經(jīng)研磨拋光后采用化學腐蝕，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沖擊斷口顯微形貌，以及微觀組織.

2 試驗結果及分析

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致的不同程度的偏析，且B比A嚴重些，組織不均勻.對照NADCA 207-2008標準屬于合格范圍.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程中各相的凝固時間不同導致了不平衡凝固，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程中也不會消除掉[8]，對組織的穩(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，在實際使用過程中，網(wǎng)狀碳化物很容易形成模具失效的裂紋源[10].從組織圖來看，隨著碳化物網(wǎng)狀析出越嚴重，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性能的影響

兩擠壓輪的出廠硬度均為51.5HRC左右，對從兩擠壓輪取下的試樣(A#、B#)經(jīng)過不同溫度多次的回火，試驗后的硬度變化曲線如圖3所示.可以觀察到，A#試樣在580℃和600℃時經(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)過四次回火硬度下降程度要比580℃溫度多，即600℃溫度時的回火抗性要比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組織的影響

不同溫度多次回火試驗后的微觀組織如圖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到600℃左右時，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大量減少，導致阻止軟化的效果會有所降低，使得硬度或強度也下降.原來具有抗高溫軟化性能的細小的二次析出碳化物MC，將轉變成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大，形成網(wǎng)狀組織，降低了晶界結合能，致使晶界弱化，容易形成沿晶界開裂的裂紋.高溫回火同樣會造成碳化物析出且聚集長大，造成粗化，導致材料內(nèi)部彌散強化的效果變?nèi)酰蛊溆捕戎导彼傧陆?，并最終穩(wěn)定于某個硬度附近[11- 12].由于網(wǎng)狀碳化物越嚴重，沖擊性能就越差，但是碳化物的析出長大，并且組織向回火索氏體轉變，導致沖擊性能增加的效果要強于降低的效果.這樣的發(fā)展趨勢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解理+韌窩塑坑組成，屬于準解理斷裂.而準解理斷裂是介于解理斷裂與塑性斷裂間的一種過渡斷裂形態(tài).相同回火溫度下，回火次數(shù)多的(b)、(d)相對(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.沿晶界有擴展的二次裂紋，因為合金碳化物在晶界析出而導致的網(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看是硬度以及韌性，硬度的高低影響擠壓輪開裂的難易和方式，而韌性的高低影響的是開裂后的裂紋擴展速度.兩個性能很好的配合才能達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，這樣H13鋼在600℃的高溫下碳化物析出長大不明顯，造成的回火硬度下降會相對較少，進而高溫強度下降較少，使擠壓輪壽命延長.

3 結論

(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致H13鋼抗回火性能的下降；

(2)A#試樣在580℃時經(jīng)四次回火后硬度下降了7.4%，在600℃時下降了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較少，使擠壓輪壽命延長.

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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)擠壓設備的研究

E-mail:xhx_djtu@163.com.

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