夏云峰 張光川 胡永平 李 巍

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古014033)

H13模具鋼已被廣泛用作壓鑄模、熱沖模、熱鍛和熱擠壓等熱作模具材料，模具的使用環(huán)境極其復(fù)雜，工作過程中不僅需與高溫坯料甚至液態(tài)金屬直接接觸，被反復(fù)地加熱和冷卻，同時還要承受高壓沖擊的作用。熱作模具的失效形式主要有三種：一是由于高溫金屬液流動而造成的模腔磨損沖蝕；二是在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力交互作用下而引起的模腔尺寸超差；三是由于沖擊載荷和反復(fù)的加熱-冷卻而導(dǎo)致的疲勞裂紋。因此其對材料的性能要求非常嚴格，不僅需具備良好的高溫強度和沖擊韌性，還需具有優(yōu)良的抗氧化性和耐冷熱疲勞性能。眾所周知，金屬材料的性能及其組織形態(tài)與熱處理工藝直接相關(guān)，要想充分挖掘H13模具鋼的材料特性，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。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用H13模具鋼工藝流程為“電爐冶煉→LF爐精煉→VD爐真空精煉→鑄錠→ESR電渣重熔→高溫擴散退火→30 MN油壓機鍛造成形”，鍛坯規(guī)格830 mm寬×250 mm厚×3000 mm長，墩粗比為2.0，總鍛比為5.8。鍛后進行等溫球化退火后從端部切除200 mm余料，再切取1塊厚25 mm的試片，加工為若干塊100 mm×55 mm×25 mm試塊，試驗用鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 H13模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of H13 die steel (mass fraction, %)

通過測定，該鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度如下：Ac1=845℃，Accm=870℃，Ms=270℃，Mf=105℃。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備有箱式電阻加熱爐2臺、硬度計、金相顯微鏡、美標沖擊儀器。

1.3 試驗步驟

(1)淬火預(yù)熱和淬火加熱分別在兩臺箱式電阻爐內(nèi)進行，首先將兩臺箱式電阻爐升至所規(guī)定的溫度；

(2)將100 mm×55 mm×25 mm試樣放置在預(yù)熱加熱箱式電阻爐中保溫30 min(到溫裝爐)；

(3)保溫結(jié)束后將試樣轉(zhuǎn)移至淬火加熱的電阻爐中進行淬火溫度保溫30 min(開關(guān)爐后，爐溫降低，待電阻爐升至規(guī)定溫度時開始計算保溫時間)；

(4)保溫結(jié)束后針對樣塊進行淬火(采用水或油淬方案，水或油溫控制在30℃以下)；

(5)回火在箱式電阻爐內(nèi)進行，按照規(guī)定的溫度對試樣進行回火；

(6)回火結(jié)束后針對試樣樣塊進行硬度檢驗并記錄；

(7)將試樣加工至美標沖擊要求尺寸后進行沖擊試驗并記錄；

(a)1030℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火(b)1060℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火(c)1080℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火

圖2 淬火加熱溫度對H13模具鋼金相組織的影響
Figure 2 Effect of heating temperature during quenching on the microstructure of H13 die steel

(8)金相組織檢驗。

2 熱處理工藝試驗

2.1 淬火加熱溫度對金相組織的影響

依據(jù)H13模具鋼的材料特性及測定的臨界轉(zhuǎn)變溫度，為考察不同的淬火加熱溫度對其組織和性能的影響，特選定3組試樣(每組3個)分別在1030℃、1060℃和1080℃溫度下進行淬火，保溫時間均為30 min，然后全部采用610℃±5℃進行第一次回火，620℃±5℃進行第二次回火，工藝見圖1。

熱處理后試樣經(jīng)打磨、拋光并腐蝕后，使用BX51金相顯微境進行金相組織分析，檢查金相組織和碳化物形態(tài)，圖2為不同淬火加熱溫度下的金相組織照片。

由圖2可以看出，1030℃淬火+兩次回火后得到的組織為回火索氏體+顆粒狀碳化物，組織中存在較多的未溶碳化物。而隨著淬火加熱溫度的升高，未熔碳化物數(shù)量逐步減少，由此可見，淬火溫度低是大量未溶碳化物存在的主要原因，這些未熔碳化物在回火時部分會發(fā)生融合和生長，降低彌散強化效果。

據(jù)有關(guān)資料介紹，鉻(Cr)的碳化物900℃開始溶解，到1100℃時幾乎全部溶于奧氏體中；釩(V)的碳化物在900～1000℃幾乎不溶解，只有到1000～1200℃時才開始溶解。試驗結(jié)果顯示H13模具鋼提高淬火溫度后未溶鐵素體顯著減少，且晶粒度更加細小。加熱溫度的提高會使得更多的碳化物溶入奧氏體中，增加奧氏體的穩(wěn)定性和馬氏體的含碳量，但溫度過高會使得奧氏體的穩(wěn)定性增強，冷卻后得到粗大的馬氏體和更多的殘余奧氏體，影響沖擊韌性及硬度指標。

1060℃和1080℃兩個淬火溫度下得到的組織相比，后者的組織優(yōu)于前者。由此得出，提高淬火溫度至1080℃時會使碳化物的溶解更為充分，減少或細化淬火組織中的碳化物，使得回火階段可均勻彌散析出細小的顆粒狀碳化物，最終提高回火組織的穩(wěn)定性。

2.2 淬火加熱溫度對硬度及沖擊性能的影響

為測定不同淬火加熱溫度對H13模具鋼硬度和沖擊性能的影響，同樣選取四組試樣(每組3個)分別在1030℃、1060℃、1080℃和1100℃溫度下進行淬火，保溫時間均為30 min，然后全部采用610℃±5℃進行第一次回火，620℃±5℃進行第二次回火。試樣熱處理后按照GBT 229—2007標準要求加工成10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣，逐個進行沖擊吸收能量和洛式硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 淬火加熱溫度對H13模具鋼沖擊性能的影響Table 2 Effect of heating temperature during quenching on the impact property of H13 die steel

從表2試驗結(jié)果可知，隨著淬火加熱溫度在1030～1100℃范圍內(nèi)逐步升高，試樣的硬度有逐步提高的趨勢，沖擊韌性指標先上升，超過1080℃后又開始下降，說明當(dāng)淬火加熱溫度超過1080℃后，晶粒度已經(jīng)開始粗化，裂紋敏感性開始增加。

2.3 回火工藝參數(shù)對H13模具鋼金相組織和性能的影響

為測定不同的回火制度對該鋼種的沖擊韌性、硬度和金相組織的影響，固定淬火工藝參數(shù)為1060℃×30 min水冷后，調(diào)整回火工藝參數(shù)的檢驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知相同的淬火工藝下，不同的回火制度對沖擊及硬度指標的影響較明顯?；鼗饻囟鹊陀?20℃時沖擊韌性下降幅度較大；只進行兩次回火時缺口沖擊吸收能量波動較大，而采用三次回火時沖擊性能穩(wěn)定性顯著提高，相對于1060℃淬火+610℃回火+620℃回火，增加一次600℃回火后沖擊韌性略有提升，且硬度無明顯降低。圖3為不同回火工藝后H13模具鋼的金相組織照片，圖中基體組織均為回火索氏體+彌散分布的顆粒狀碳化物。多次回火不僅可精確調(diào)整鍛件的硬度指標，并提高塑韌性，且經(jīng)多次回火，進一步釋放鋼中的內(nèi)應(yīng)力，使得組織轉(zhuǎn)變更為充分，從而穩(wěn)定材料的組織，減小沖擊波動。

(a)1060℃+590℃+610℃(b)1060℃+610℃+620℃回火(c)1060℃+590℃+590℃+610℃回火(d)1060℃+600℃+610℃+620℃

圖3 回火工藝參數(shù)對H13模具鋼金相顯微組織的影響
Figure 3 Effect of tempering process parameters on metallographic microstructure of H13 die steel

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高H13模具鋼的淬火加熱溫度能夠提高鋼的沖擊韌性和抗回火性能，理想的淬火加熱溫度為1060～1080℃，淬火加熱溫度超過1080℃后會導(dǎo)致其晶粒顯著粗化，影響鋼的力學(xué)性能。

(2)H13模具鋼淬火后在600℃左右進行三次回火可有效提高沖擊性能的穩(wěn)定性。