徐祺昊, 楊禮林, 夏 明, 秦 晨, 趙莉萍
(內蒙古科技大學 材料與冶金學院, 內蒙古 包頭 014010)
隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,為了縮小我國工業(yè)技術與發(fā)達國家的差距,滿足當今社會對熱作模具鋼日益增長的需求,提高熱作模具的使用壽命、降低成本、研發(fā)性能卓越的新型熱作模具鋼已經(jīng)成為當務之急[1]。H13鋼是目前應用最廣泛的一種熱作模具鋼,CCT曲線是過冷奧氏體連續(xù)冷卻條件下相變規(guī)律的精確表達形式,測定H13鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線,深入探究其轉變特點,對合理制訂H13鋼的熱處理工藝具有指導意義[2]。Ce作為一種優(yōu)異的稀土合金元素,研究Ce對H13鋼連續(xù)冷卻轉變(CCT)曲線的影響具有重要意義[3]。
本文通過測定兩種不同Ce含量的H13熱作模具鋼在不同冷速下的冷卻曲線,根據(jù)其顯微組織與硬度繪制出CCT曲線,研究Ce元素的加入對H13熱作模具鋼CCT曲線的影響,再通過得到的CCT曲線與相應的數(shù)據(jù),制定合理的冷卻速度以得到理想的組織,對實際工業(yè)生產具有一定的參考依據(jù)。
采用真空熔煉爐進行試驗鋼的冶煉,其額定功率為40 kW,工作時電壓為250 V,額定頻率為4 kHz,額定溫度為1700 ℃。試驗鋼經(jīng)配料計算后,分別進行去銹、稱量、加料及熔煉,熔煉時為了避免低熔點的碳、硅、錳鐵以及稀土中間合金(Fe-20%Ce)等原料的嚴重燒損,將稀土中間合金放入到真空冶煉爐的小料斗中,待高熔點的原料熔化后再依次將其加入到鋼液中。為了使鋼液熔化均勻,需適當?shù)負u晃坩堝,以達到攪拌均勻的目的。最后進行澆注,得到H13熱作模具鋼棒材,其化學成分如表1所示,顯微組織如圖1所示。
表1 試驗鋼的化學成分(質量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction, %)
圖1 H13鋼鍛造態(tài)原始組織(a)1號鋼;(b)2號鋼Fig.1 Original microstructure of the as-forged H13 steel(a) No.1 steel; (b) No.2 steel
由表1可知,兩種試驗鋼的化學成分基本相同,僅2號鋼較1號鋼多添加了0.026%的Ce元素。由圖1對比可以看出,未加稀土Ce的1號試驗鋼,鍛態(tài)原始組織中有明顯的沿變形晶界分布的碳化物。添加稀土Ce后的2號試驗鋼,鍛態(tài)原始組織中有部分顆粒狀碳化物及沿變形方向的條狀碳化物。另外,添加稀土Ce后的組織得到一定程度的細化,成分偏析得到減輕且組織中沿晶界呈網(wǎng)狀分布的碳化物得到改善。
利用數(shù)控車床從鑄態(tài)鋼棒上切取φ3 mm×10 mm圓柱試樣,進行熱模擬試驗,先通過砂紙將加工痕跡去除并使試樣表面光滑。利用L78 RITA熱相變膨脹儀,將鑄態(tài)試樣以200 ℃/h的升溫速度升溫至1020 ℃完全奧氏體化,保溫10 min后以不同的冷卻速度(0.05~180 ℃/s)冷卻至室溫。試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋、體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后在BX53M蔡司光學顯微鏡下觀察,并用AutoVicker MF 30自動顯微硬度計測量硬度(載荷砝碼1 kg),對比不同冷速下的顯微組織和硬度,確定組織類型。并根據(jù)熱膨脹曲線,采用切線法對試驗鋼的Ac1、Ac3與Ms點進行測定,并繪制CCT曲線[4]。
2.1.1 1號鋼顯微組織
圖2為不同冷速下1號試驗鋼臨界轉變時的顯微組織。由圖2(a)可知,當冷速為1 ℃/s時,1號試驗鋼發(fā)生了珠光體與貝氏體轉變,其中黑色塊狀為珠光體組織,在鐵素體和奧氏體中均未觀察到碳化物析出,根據(jù)固態(tài)相變規(guī)律[5],無碳貝氏體由板條鐵素體束和未轉變的奧氏體組成,鐵素體之間存在富碳奧氏體,是一種特殊的貝氏體,此時試驗鋼顯微組織為珠光體+無碳貝氏體+少量碳化物。當冷速為2 ℃/s 時,組織中未見珠光體組織,此時組織為貝氏體+少量馬氏體+殘留奧氏體+碳化物,如圖2(b)所示。說明珠光體轉變的臨界冷速區(qū)間為1~2 ℃/s。
圖2 1號鋼在不同冷卻速度下的顯微組織(1020 ℃奧氏體化)Fig.2 Microstructure of the No.1 steel under different cooling rates (austenitized at 1020 ℃)(a) 1 ℃/s; (b) 2 ℃/s; (c) 13 ℃/s; (d) 14 ℃/s; (e) 180 ℃/s
當冷速為13 ℃/s時,1號試驗鋼的組織呈針狀貝氏體組織特征,此時組織為貝氏體+馬氏體+碳化物。而當冷速達到14 ℃/s時,貝氏體組織特征消失,組織為板條狀馬氏體。說明貝氏體轉變的臨界冷速區(qū)間為13~14 ℃/s。
當冷速進一步提高至180 ℃/s時,組織呈現(xiàn)出明顯的板條狀馬氏體特征,組織為馬氏體+少量殘留奧氏體+碳化物。說明發(fā)生馬氏體轉變的臨界冷速區(qū)間為大于14 ℃/s。
2.1.2 2號鋼顯微組織
圖3為不同冷速下2號試驗鋼臨界轉變時的顯微組織。從圖3(a, b)可知,冷速為3 ℃/s時,2號試驗鋼的組織中存在珠光體組織,而冷速為4 ℃/s時組織中無珠光體組織存在。說明稀土元素Ce加入后,2號鋼的珠光體臨界冷速區(qū)間為3~4 ℃/s,珠光體轉變明顯提前。究其原因,稀土元素的加入使得原奧氏體晶粒中未溶碳化物數(shù)量減少,從而使得奧氏體穩(wěn)定性下降,故而使得珠光體轉變提前。
圖3 2號鋼在不同冷卻速度下的顯微組織(1020 ℃奧氏體化)Fig.3 Microstructure of the No.2 steel under different cooling rates (austenitized at 1020 ℃)(a) 3 ℃/s; (b) 4 ℃/s; (c) 25 ℃/s; (d) 30 ℃/s; (e) 180 ℃/s
當冷速為25 ℃/s時,2號試驗鋼中存在針狀貝氏體組織,而當冷速達到30 ℃/s時,組織為板條狀馬氏體組織。說明稀土Ce的加入使貝氏體的臨界冷速區(qū)間提升至25~30 ℃/s,貝氏體轉變同樣提前。
隨著冷速進一步增大至180 ℃/s,2號試驗鋼的組織均為馬氏體組織,且隨著冷速的提高,馬氏體占比更高,晶粒更為細小。
對比圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn),在相同冷速180 ℃/s條件下,H13鋼中加入稀土元素Ce后,組織更細密,所得馬氏體的板條形狀更加清晰,添加Ce后使組織結構更加細小,板條相對更加短小[6-7]。這是由于在H13鋼中加入Ce使奧氏體晶粒細化,且H13鋼中還含有Mo和V等強碳化物形成元素,其中Mo2C和VC等碳化物由于稀土的加入更易發(fā)生溶解,在晶界處分布可阻礙晶界偏移,起到抑制晶粒長大的作用,縮小馬氏體條的寬度。
同時根據(jù)圖2與圖3還可以發(fā)現(xiàn),稀土元素Ce的加入明顯起到細化晶粒的作用,Ce可使鋼中的等軸晶率提高,也可使鋼中晶粒尺寸更加細小,這是由于Ce在鋼中形成了化合物并充當了結晶時的非自發(fā)形核核心,故起到了細化晶粒的作用。另外Ce在鋼液凝固過程中形成的高熔點化合物會提前析出,并以均勻分布的細小質點作為非均勻形核的核心,從而使結晶過冷度降低,進而對凝固組織起到細化的作用。這會導致組織中晶粒變小,晶界總面積增加,從而促進了新相的形核和原子的擴散,導致了貝氏體轉變提前,故體現(xiàn)在CCT曲線上顯示為貝氏體轉變曲線左移。
為了進一步確認試驗鋼不同冷速下得到的顯微組織,對其硬度進行檢測,兩種組分試驗鋼不同冷速下的硬度如表2、表3和圖4所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),冷卻速度小于0.1 ℃/s時,添加稀土元素Ce的2號 試驗鋼的顯微硬度和未加稀土的1號試驗鋼相差不大。隨著冷速的增加,1號鋼和2號鋼的硬度曲線中均存在兩個明顯的拐點,在拐點前后硬度增加、速度出現(xiàn)明顯差異,這兩個拐點所對應溫度恰好為珠光體轉變與貝氏體轉變的臨界冷速。并且隨著冷速的繼續(xù)增加,硬度也隨之上升,但當經(jīng)過貝氏體轉變臨界冷速后,硬度雖繼續(xù)上升,但增速卻呈現(xiàn)下降的趨勢。
表2 1號試驗鋼在不同冷速下的顯微硬度Table 2 Microhardness of the No.1 steel under different cooling rates
表3 2號試驗鋼在不同冷速下的顯微硬度Table 3 Microhardness of the No. 2 steel under different cooling rates
圖4 1號鋼(a)和2號鋼(b)在不同冷速下的硬度曲線Fig.4 Hardness curves of the No. 1 steel(a) and the No.2 steel(b) under different cooling rates
從整體上來看,相同冷速下加入稀土元素Ce的2號 試驗鋼的顯微硬度更大,整體性能提高,究其原因,是因為Ce加入到H13鋼中,存在于晶界、相界、孿晶界等缺陷處,降低晶界能量,這不可避免地影響了過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變[8]。Ce加入鋼中,還可以細化晶粒,包括鐵素體晶粒細化、滲碳體板條減薄、板條馬氏體細化、抑制碳化物聚集粗化的作用[8],最終達到提高H13鋼硬度及其他性能的作用。
2.3.1 臨界點
通過切線法測得兩種試驗鋼的臨界溫度如表4所示。由表4可知,在H13鋼中加入0.026%Ce后,Ac1降低了7.8 ℃,而Ac3卻增高了6.3 ℃,Ms只增加了1.2 ℃,臨界相變溫度均變化不大。
表4 試驗鋼的的臨界溫度(℃)Table 4 Critical temperatures of the tested steels (℃)
2.3.2 1號鋼CCT曲線
根據(jù)熱膨脹曲線測得試驗鋼臨界溫度,并通過組織及硬度分析,繪制1號試驗鋼的CCT曲線,如圖5所示。從圖5可以看出,1號試驗鋼經(jīng)1020 ℃奧氏體化10 min后以不同的冷卻速度冷卻時,得到的過冷奧氏體轉變產物不同,CCT曲線包括奧氏體+未溶碳化物區(qū)(A+C)、珠光體區(qū)(A+P+C)、貝氏體區(qū)(A+B+C)和馬氏體區(qū)(A+M+C)。當冷速高于0.05 ℃/s時,先后發(fā)生珠光體轉變和貝氏體轉變。且隨冷速的增加,珠光體轉變開始溫度下降,珠光體轉變區(qū)域越來越窄,冷卻至室溫獲得珠光體(P)+貝氏體(B)+碳化物(C)組織。
圖5 1號鋼的CCT曲線 Fig.5 CCT curves of the No.1 steel
由之前的組織和硬度分析,結合CCT曲線可知,1號 試驗鋼珠光體轉變冷卻速度介于1~2 ℃/s之間,在此溫度區(qū)間出現(xiàn)了鼻溫,當冷速大于1.5 ℃/s時,過冷奧氏體經(jīng)過貝氏體與馬氏體轉變區(qū),在該溫度范圍內得到的最終組織為貝氏體+馬氏體+碳化物。隨著冷速的增加,貝氏體轉變區(qū)域變窄,當冷速進一步提高到13~14 ℃/s時,又出現(xiàn)了鼻溫,結合組織與硬度的分析,判斷在13.5 ℃/s冷速條件下為貝氏體轉變的臨界冷速。當冷卻速度為14~180 ℃/s時,只發(fā)生馬氏體相變。隨著冷卻速度上升到180 ℃/s時最終得到的組織為馬氏體+碳化物+殘留奧氏體。
2.3.3 2號鋼CCT曲線
采用同樣的方法繪制2號試驗鋼CCT曲線,如圖6 所示。由圖6可見,加入稀土元素Ce后,珠光體區(qū)域變大,鼻溫也隨之提前,雖然加入的Ce含量較少(0.026%),但效果明顯,珠光體轉變臨界冷卻速度提前到3.5 ℃/s,冷速高于3.5 ℃/s時便沒有珠光體組織,研究表明,Ce的加入可使得奧氏體中未溶碳化物減少,奧氏體穩(wěn)定性下降,使珠光體轉變提前。稀土元素Ce的加入可凈化鋼液,改善組織,其結果是奧氏體晶粒變小,晶界總面積增加,促進了新相的形核和原子的擴散[9],也促進了先共析轉變和珠光體轉變,同時還促進了貝氏體轉變。其次,隨著奧氏體中碳含量的增加,珠光體轉變逐漸向左移動,由于Ce的加入,導致奧氏體中的未溶碳化物減少[8],最終導致CCT曲線左移。
圖6 2號鋼的CCT曲線 Fig.6 CCT curves of the No.2 steel
當冷卻速度大于4 ℃/s時,過冷奧氏體組織經(jīng)過貝氏體與馬氏體相區(qū),此溫度區(qū)間最終得到的組織為貝氏體+馬氏體+少量碳化物。同時根據(jù)組織與硬度分析,發(fā)現(xiàn)添加稀土元素Ce后,貝氏體轉變臨界冷速提高到30 ℃/s,貝氏體轉變提前。當冷卻速度大于30 ℃/s時,試驗鋼只發(fā)生馬氏體轉變,最終得到的組織為馬氏體+殘留奧氏體+未溶碳化物。
1) 未添加稀土元素Ce的H13鋼的珠光體轉變臨界冷速區(qū)間為1~2 ℃/s,貝氏體轉變臨界冷速區(qū)間為13~14 ℃/s,冷速>14 ℃/s時只發(fā)生馬氏體轉變。添加0.026%Ce的H13鋼的珠光體轉變臨界冷速區(qū)間為3~4 ℃/s,貝氏體轉變臨界冷速區(qū)間為25~30 ℃/s,冷速>30 ℃/s時只發(fā)生馬氏體轉變。添加Ce后,珠光體轉變與貝氏體轉變提前,未溶碳化物減少,奧氏體晶粒細化,馬氏體板條變短小。
2) H13鋼中加入0.026%Ce后,硬度較未添加Ce時有所提高;且硬度隨冷速的升高而增大,在珠光體轉變與貝氏體轉變的臨界冷速下硬度的增速出現(xiàn)拐點,拐點的前后硬度增幅速度呈現(xiàn)明顯差異,當經(jīng)過貝氏體轉變臨界冷速后,硬度雖繼續(xù)上升,但增速卻呈現(xiàn)下降的趨勢。
3) 利用膨脹法測得1020 ℃奧氏體化溫度下,未添加Ce時H13鋼的臨界相變點Ac1=853.6 ℃,Ac3=943.8 ℃,Ms=333.4 ℃;添加0.026%Ce時的臨界相變點Ac1=845.8 ℃,Ac3=950.1 ℃,Ms=334.6 ℃。H13鋼中加入0.026%Ce后Ac1降低,Ac3升高,Ms基本不變。
4) 利用膨脹法結合金相-硬度法測定了未添加Ce和添加0.026%Ce時H13鋼的CCT曲線。加入Ce后,H13鋼的珠光體轉變區(qū)域變大,珠光體轉變的臨界冷速增大,珠光體轉變曲線左移。貝氏體轉變的臨界冷速同樣增大,貝氏體相變提前,貝氏體轉變曲線左移。馬氏體相變區(qū)域相應縮小。