完善H13钢质量退火工艺技术

h13是近年开发的美标热作模具钢新钢种,与之相对应的我国钢号为4Cr5MoSiV1,是一种热作模具钢,主要用于制造热机锻模及压铸模具等。由于H13具有优良的综合力学性能,广泛应用于热锻模、热挤压模和有色金属压铸模。国内外市场H13钢的需求量巨大,仅国内市场年需求量大约在5万吨以上[1]。目前,国内H13主要生产厂家的质量和服务仍不能满足国内模具市场的需求,其中质量的矛盾尤为突出。近年来,有关部门通过抽检国内外多个厂家生产的H13钢,发现国产钢材与进口钢材相比最大的缺陷是成分偏析、带状组织严重等现象,用此类材料制作的工模具经过常规工艺处理后,常出现早期失效[2]。研究表明退火工艺对材料的淬火加热组织和力学性的影响十分明显,本文通过实验制定H13钢的系列退火工艺,探究退火工艺的微观机理、相变过程,提出改善H13钢冶金缺陷的退火工艺。

1实验材料及方法

1•1实验设备

SX-4-10箱式电阻炉、SX13-BLL箱式电阻炉、普通金相显微镜和蔡斯显微镜。

1•2实验材料

实验用钢的主要化学成分见表1。

1•3实验方法

1•3•1球化退火先对试样进行球化退火,试验工艺曲线如图1。球化退火工艺有三方面的要求,即低的加热温度、高的等温转变温度、充分的等温时间[3]。球化退火完毕,制样、观察组织,发现铁素体基体上分布着球状碳化物,即粒状珠光体组织,组织较为均匀,碳化物分布也相当均匀。但有的试样却出现了碳化物偏析,即带状组织偏析。为此,下步实验制定了扩散退火工艺来消除带状组织。

1•3•2扩散退火

试验扩散退火工艺曲线如图2所示。试样经过扩散退火后,晶粒粗大,必须再经过一次或多次完全退火来细化晶粒。1•3•3不完全退火扩散退火后的晶粒较为粗大,需要进行完全退火处理。但一般情况下可用不完全退火代替完全退火,不完全退火是在Ac1~Ac3之间的两相区加热,保温足够时间,再进行缓慢冷却[4],本试验不完全退火工艺曲线如图3所示。

2实验结果及分析

本实验所选用的照片均为金相显微镜照片。试样经过球化退火后,碳化物分布均匀并已经球化,如图4所示;有的试样组织均匀,尤其是碳化物颗粒的分布非常均匀,但球化效果不太明显,如图5所示;部分试样有带状组织存在,其横向截面如图6所示。将有带状组织的试样进行扩散退火后,组织见图7、图8。扩散退火后虽然消除了带状组织,但是晶粒过于粗化,再经过不完全退火,组织见图9。

2•1球化退火

由试验得知,球化退火后的组织为粒状珠光体组织:铁素体基体上分布有颗粒状的碳化物。对于H13钢这种中碳工具钢来说球化退火的目的是:在退火状态下,获得粒状珠光体组织[5]。首先,奥氏体化温度要低。且奥氏体的Ac1为850℃,故在870℃即Ac1+(20~30℃)温度保温,进行特定的奥氏体化,保温一小时左右。由于奥氏体化温度较低,保温时间较短,加热转变不充分,即没有完全奥氏体化,在奥氏体中尚存在许多未溶的碳化物。又因为保温时间较短,碳元素原子扩散没有进行彻底,故奥氏体的成分相当不均匀,存在许多的贫碳区和富碳区,这些未溶的碳化物质点将是过冷奥氏体分解时的非自发形核中心。富碳区易于形成碳化物,贫碳区易于形成铁素体,这都为珠光体形核创造了有利条件。H13钢中富含各种合金元素,如Cr、Mo、V等,合金元素原子通过增加γ相中原子的结合力,或者提高α相的形核功、或者提高碳原子的扩散激活能,以此来延缓碳化物的形成和γα相变,从而推延珠光体转变,提高过冷奥氏体的稳定性,使球化退火愈加困难,为珠光体的形核创造有利的条件[6]。

其次,需要高的等温转变温度。要形成粒状珠光体,需要特定的冷却条件,过冷奥氏体的分解温度要高。实验选择稍低于Ac1的温度750℃,在较小的过冷度下冷却,进行等温转变,且冷却速度要慢。由于在冷却及等温过程中,奥氏体分解出碳化物,并发生γα的同素异构转变,这一过程需要碳原子、铁原子和合金原子的扩散,转变温度越高,即过冷度越小,扩散越充分。因此,等温温度越高冷却速度越慢,则碳化物粒子越有充分时间长大,进行粗化,球化。在实验过程中,特殊的奥氏体化温度以及比较慢的冷却速度,使碳化物颗粒有足够的条件粗化、球化,碳化物粒子直径越大,碳化物的弥散度也就大幅度减少。总体来看,碳化物弥散度的降低,大大降低了H13钢退火后的强度、硬度,达到了退火目的。

2•2扩散退火

试样经过球化退火后,组织趋于均匀,获得粒状珠光体组织,但有的试样却有反常组织———带状组织。带状碳化物是从奥氏体中析出的先共析二次碳化物,是结晶时的树枝状偏析(即冶金缺陷)引起的,而本实验则致力于解决此类问题,消除此类缺陷。因此,实验中制定了扩散退火这道工艺以消除带状组织:先将试样加热至1300℃完全奥氏体化,缓慢冷却,通过元素原子在高温时的扩散使组织均匀化[7]。经过扩散退火后,观察发现带状组织几乎完全被消除,但晶粒变的较粗大,比原始组织大了好几个级别。

2•3不完全退火机理

由于奥氏体化的温度在Ac1与Ac3之间,奥氏体中残存未溶碳化物质点,另外,扩散退火后,组织较为均匀,贫碳区与富碳区的界限也相对模糊。这样,在缓慢冷却到Ar1以下温度时,珠光体便以未溶渗碳体质点为形核中心进行了非自发形核。同时,又由于碳元素分布较均匀,不需要进行长时间的长程扩散,在小范围内碳元素经过短程扩散,富碳区非自发形核长大为渗碳体,贫碳区则变成了铁素体,这些都大大增加了形核率。冷却速度控制在50℃/h左右,有效地控制了长大速度,这样既可以进行完全的珠光体转变,又可以细化晶粒。

3结论

1)理论上带状组织经过扩散退火后可以完全消除,本实验表明带状组织可以大幅度减轻,但并不能完全消除,此时缺陷对性能的影响已经微乎其微;

2)完全奥氏体化时的高温扩散使试样晶粒过于粗化,严重地影响以后的热处理质量,需要制定特定的细晶工艺以细化晶粒;

3)相对于扩散退火后的晶粒尺寸,不完全退火后试样晶粒细化了好几个级别,达到实验目的。