房 鑫 李 其 王海英 張 丹 陳先毅 陽(yáng) 鶴

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

H13鋼與我國(guó)牌號(hào)4Cr5MoSiV1材質(zhì)相近，因其優(yōu)良的淬透性和熱硬性，成為廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼之一[1]，也是我公司重點(diǎn)研發(fā)的材料之一。雖然其碳含量在0.5%左右，但由于其合金含量將近8%，使得共析點(diǎn)向左偏移，H13鋼表現(xiàn)為過共析鋼[2]。過共析鋼中心部組織存在成分偏析、粗大的共晶碳化物以及二次碳化物，這些碳化物在晶界聚集，對(duì)模塊的沖擊韌性將產(chǎn)生極大的影響[3-4]。為提升材料的沖擊韌性，對(duì)H13鋼鍛后熱處理，特別是球化階段效果的影響因素研究顯得極為重要。

H13鋼現(xiàn)行的鍛后熱處理模式為正火+球化退火，理想的鍛后組織為均勻的粒狀珠光體。鋼的珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型相變，與擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散距離直接相關(guān)。由于鍛造時(shí)鋼錠粗大的樹枝晶已被打碎，因此鍛件的擴(kuò)散距離可近似認(rèn)為鍛件的晶粒尺寸大小。本文擬采用Jmatpro軟件對(duì)H13鋼進(jìn)行計(jì)算，以找出晶粒尺寸大小對(duì)H13鋼球化效果的影響。

1 模擬計(jì)算參數(shù)

H13鋼主要化學(xué)元素要求[5]和計(jì)算用化學(xué)成分見表1。

表1 H13鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of H13 steel(mass fraction, %)

2 Jmatpro計(jì)算結(jié)果

2.1 H13鋼平衡轉(zhuǎn)變相圖

利用Jmatpro軟件對(duì)材料的平衡轉(zhuǎn)變相圖進(jìn)行計(jì)算，熔化溫度到100℃的平衡轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D1所示，晶粒度級(jí)別為3級(jí)。由圖1可知，H13鋼平衡析出相有MnS、M(C,N)、M6C、M23C6、M3P、Laves和M2(C,N)等相，最先析出的相為M3P，析出溫度在1260℃；其次析出相M(C,N)，析出溫度為1100℃，析出峰值為900℃，峰值析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%，到達(dá)峰值后，析出量逐步降低，降至180℃時(shí)，析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0%；900℃時(shí)，碳化物M6C、M23C6幾乎同時(shí)析出，M6C析出相呈兩段式階段性析出與溶解，析出和溶解的溫度分別為900℃、630℃和850℃、580℃；M23C6析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，在860℃達(dá)到4.6%，其后隨溫度降低而升高，至100℃時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.6%；550℃時(shí)，laves相開始析出，析出峰值為350℃，峰值析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%，到達(dá)峰值后，析出量逐步降低，降至100℃時(shí)，析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.5%；M2(C,N)最后析出，開始析出溫度為190℃，降至100℃時(shí)，析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.6%。

圖1 H13平衡轉(zhuǎn)變相圖Figure 1 Phase diagram of H13 equilibrium transition

2.2 H13鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線

H13鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線與材料晶粒尺寸大小直接相關(guān)，對(duì)不同晶粒度進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變(TTT)模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從各晶粒度等溫轉(zhuǎn)變圖可知，H13鋼在489～825℃等溫發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，488～319℃等溫發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度為318℃，馬氏體50%轉(zhuǎn)變溫度為282℃，馬氏體90%轉(zhuǎn)變溫度為199℃。珠光體相變屬于擴(kuò)散型相變，貝氏體相變屬于半擴(kuò)散型相變，擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變開始前需要一段孕育期，孕育期的時(shí)間受過冷度和原子活躍度的雙重影響，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低先減少后增加。隨著晶粒尺寸的增大，珠光體起始轉(zhuǎn)變和終了轉(zhuǎn)變曲線隨之右移；貝氏體轉(zhuǎn)變較珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏诙蹋S著晶粒尺寸的增大，其起始轉(zhuǎn)變和終了轉(zhuǎn)變曲線亦隨之右移。

圖2 H13不同晶粒度等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線Figure 2 Isothermal transition (TTT) curves of H13with different grain sizes

擬合H13晶粒大小與珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度的轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，如圖3所示。由圖3可知，在H13鋼珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度688℃時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間為線性分布，轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間與晶粒直徑的關(guān)系為：

圖3 H13晶粒大小與珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度開始和結(jié)束時(shí)間關(guān)系圖Figure 3 The relationship between H13 grain size andthe start and end time of pearlite transformationat nose tip temperature

TPs=0.0233D+0.009

(1)

TPf=0.3173D-0.017

(2)

式中，TPs為珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間(h)；TPf為珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間(h)；D為晶粒直徑(μm)。

擬合貝氏體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度的轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，如圖4所示。由圖4可知，在H13鋼貝氏體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度418℃時(shí)，貝氏體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間為線性分布，轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間與晶粒直徑的關(guān)系為：

圖4 H13晶粒大小與貝氏體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時(shí)間關(guān)系圖Figure 4 The relationship between H13 grain size andthe start and end time of bainite transformationat nose tip temperature

TBs=2.2601D+0.0608

(3)

TBf=317.58D-9.1364

(4)

式中，TBs為貝氏體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間(s)；TBf為貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間(s)；D為晶粒直徑(μm)。

隨著晶粒尺寸的增大，珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間變長(zhǎng)，Jmatpro無法顯示，根據(jù)擬合公式可得出不同晶粒尺寸所需的珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，如表2所示。

表2 不同晶粒度珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間表Table 2 Transformation time list of pearlitewith different grain sizes

3 晶粒尺寸對(duì)球化工藝的影響

球狀滲碳體具有最低的界面能，粒狀珠光體組織是鋼中最穩(wěn)定的組織，均勻細(xì)小的粒狀珠光體可以極大地提高材料的韌性。從H13鋼中平衡相圖可知，鋼中碳化物含量高達(dá)6.6%，因此在球化之前，應(yīng)進(jìn)行正火以消除碳化物網(wǎng)，細(xì)化晶粒。

由于珠光體相變和貝氏體相變均存在碳原子的遷移，根據(jù)擴(kuò)散無規(guī)則行走理論，材料中原子遷移距離和運(yùn)動(dòng)時(shí)間及擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系[6]為：

式中，r為原子遷移距離；D為擴(kuò)散系數(shù)；t為原子運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

在上式中，由Arrhenius方程可知：

式中，Q為擴(kuò)散激活能(kJ)；D0為擴(kuò)散常數(shù)(cm2/s)；R為氣體常數(shù)，為8.31J/mol·K。

通常認(rèn)為D0和Q與T無關(guān)，只與擴(kuò)散機(jī)制和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。由式(5)和式(6)可知，擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系，原子遷移距離r和運(yùn)動(dòng)時(shí)間t呈1/2次方關(guān)系，同一溫度下，隨著原子擴(kuò)散距離的增加，原子運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨之增加。

結(jié)合Jmatpro軟件內(nèi)核計(jì)算規(guī)則可知，相變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間與晶粒大小線性相關(guān)。如以1.0級(jí)晶粒度和0.0級(jí)晶粒度為例，珠光體相變結(jié)束時(shí)間達(dá)到80.58h和113.96h。雖然通過起伏等工藝手段可以有效減少相變開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，但長(zhǎng)時(shí)間的高溫保溫會(huì)極大地增加生產(chǎn)制造成本，且由于H13鋼為過共析鋼，在平衡轉(zhuǎn)變時(shí)，碳化物容易在原晶界位置偏聚，如晶界過少，則將加重碳化物的偏聚傾向，降低產(chǎn)品性能，因此建議球化退火前晶粒不粗于3.0級(jí)。

4 結(jié)論

通過以上模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)H13鋼的晶粒大小與其珠光體轉(zhuǎn)變?cè)杏诰€性相關(guān)，與貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏谝嗑€性相關(guān)；且貝氏體孕育期遠(yuǎn)低于珠光體孕育期。

(2)球化前進(jìn)行正火對(duì)H13鋼消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒十分必要。

(3)為取得良好的球化效果及降低成本，建議球化退火前晶粒不粗于3.0級(jí)。