超大规格H13钢锻组织及性能优化试验

    热挤压模具H13钢具有高热强度和韧性、良好的耐磨性、高热疲劳强度、良好的抗氧化性和导热性，广泛应用于压铸铝

    在H钢锭的高温均质化和材料预处理是提高模具性能的主要热处理工艺。因此，在大规格H在13钢生产过程中，应采用高温扩散退火改进偏析，使钢中的碳化物溶解在基体中。由于材料在高温下保温时间长，晶粒粗大，锻造过程应采用多向变形工艺，控制锻造比、锻造温度等参数，通过高温变形阶段的动态回复和再结晶改善组织。

1 试验材料及试验方法

   建龙北满特钢采用30吨电炉冶炼 LF精炼 VD真空处理炼钢工艺生产H13钢锭。在电炉钢中加入白灰和合成精炼渣，直到LF精炼位置后，将铝线喂入深脱氧精炼后用碳粉和硅铁粉扩散脱氧，白渣保持时间≥30分钟。VD真空处理的真空度达到67度Pa以下是保持时间≥20分钟。.96吨钢锭。钢锭在加热炉中经过1270℃、26小时高温均质化处理和3000吨水压机采用二次镦粗 拉长工艺锻造φ560mm钢材，锻造过程总锻造比≥5.无网状碳化物均匀的球化珠光体组织状碳化物球化珠光体组织均匀，球化退火工艺如图1所示。

   试验H13钢化学成分检测结果如表1所示，满足钢中各元素的含量《NADCA推荐北美压铸协会H13工具钢工艺规范B等级(高质量H13钢）要求。从H13钢材上冒口截取25mm试片，低倍检查，然后切割金相检查样品，检查组织和晶粒度，试片中心取水平冲击样品，参考《NADCA推荐北美压铸协会H13工具钢工艺规范，H放入13钢冲击样品SX1030℃淬火 590℃两次回火处理

2 实验结果及分析

2.1 H13钢低倍组织

   H在13%盐酸水溶液中侵蚀13倍低试片GB/T1979进行检验，低倍组织致密，试片上未见明显的点状偏析等缺陷，低倍组织为一般疏松1级，如图2所示。

2.2 H13钢的显微组织

    H13钢退火试样经研磨抛光，用硝酸酒精腐蚀液腐蚀5%后，用40 MAT蔡司金相显微镜放大500倍NADCA标准进行组织检验，观察分析锻造后的H在等温球化处理和工艺优化后，采用正火 等温球化处理不同热处理系统下的显微组织变化。参照NADCA#207-2003标准中H13钢退火组织评级图，两种不同的热处理系统H13球化组织和带状评级。

   图3所示为H在两种热处理系统下，13钢的显微组织均匀分布在铁素体基体上，没有碳化物。正常等温球化退火后的球化组织为AS7级，正火后等温球化退火后的球化组织AS3级。

   图3 (a)为H13钢等温球化退火后的显微组织为球化组织AS7级，珠光体球尺寸不均匀，组织和方向粗大，微偏析重，球化效果未达到预期目标。

   图3 (b)优化工艺后H温球化退火后等温球化退火后的显微组织为球化组织AS3、球状碳化物小、均匀，偏析显著改善，这是因为在正火加热高温条件下，合金元素的扩散更容易、更充分，从而减少偏析，使网状碳化物完全溶解到奥氏体化中。正火绝缘后，空冷，使其快速冷却，可抑制二次碳化物的网状沉淀。然后进行球化退火，使从基体中沉淀的均匀分散碳化物生长并形成球状碳化物，改善退火组织。

   图4所示为H13钢在两种热处理系统下的带状组织，温球化退火后的带状组织和正火后的带状组织均达到NAD-CA#207-2006标准中H13钢退火组织评级图可接受范围。

   图4 (a)为H从图中可以看出13钢等温球化退火后的显微组织。

   图4 (b)优化工艺后H由于正火处理高温条件下，13钢正火 等温球化退火后的带状组织，图中的偏析条带不明显，Cr、Mo和V等合金元素更容易扩散，从而减少H13钢偏析现象。

   从以上分析可以得出，H13钢是一种过分析钢，在锻造后缓慢冷却过程中会沉淀二次碳化物。正常球化退火温度低，碳化物不足以溶解。如果没有高温正火处理，偏析不能改善，组织不能细化，导致H13钢组织差。正火处理可以减少H碳化物的形状和分布在13钢组织中的偏析和改善，组织细化明显。

2.3 H13钢的冲击性能

    H13钢冲击试样在热处理炉中进行调质，淬火温度为1030℃，保温60 min后油淬火，样品冷却至室温后回火两次，回火温度590℃，保温120 min后空冷，采用后空冷JBW-500B微机屏幕显示半自动冲击试验机进行冲击试验，试验结果如表2所示。

   图5所示为1#试样和4#样品冲击断口的宏观和微观形状。样品断口的形状为韧性断裂。宏观断口上有深灰色纤维区、灰色有光放射区和亮灰色剪切唇区。材料的性能可根据断口上纤维区、放射区和剪切唇区的比例以及微观断口的形状来确定。

   图5(a）中纤维区占比较大，图5对应(b）微观断口韧窝尺寸大、深，韧窝数量多，材料冲击韧性好。

   图5(C）放射区面积占比较大，图5对应(d）所示微观断口韧窝尺寸小浅，韧窝数量少，裂纹源韧窝丰富V、Ti碳化物，材料韧性差，脆性增加。与表2中1#样品冲击值高，4#样品冲击值低的结果一致。#样品裂纹源韧窝中碳化物的能谱分析和元素含量如图6所示。

   综上所述，H13钢锻生产过程通过1270℃高温扩散退火使Cr、Mo、V等合金元素完全扩散，消除钢中的碳化物，锻造后1030℃正火处理可以减少H经过870℃ 740℃等温球化处理获得均匀细小的球化组织，退火组织为AS钢中存在三级V、Ti碳化物可以降低材料的冲击韧性。

3 结论

   (1)北满特钢采用电炉冶炼 LF精炼 VD采用1270真空处理工艺浇注钢锭℃高温扩散退火可以消除H通过多次锻造 正火 等温球化退火工艺，获得均匀细小的球化组织，达到北美压铸协会NADCA#207-2003标准要求。

   (2)大规格H13钢锻经正常球化退火工艺处理后，组织粗大，显微偏析严重，球化不完全。优化工艺后，高温正火 等温球化退火工艺可改善带状偏析，球化效果显著，碳化物在铁素体基体上分布更均匀。

   (3) H13冲击断口为韧性断裂，纤维面积占比越大，韧窝尺寸越大越深，数量越多，材料的冲击韧性越好。韧窝存在V、Ti因此，碳化物可以降低材料的冲击韧性H13钢中应控制残余钛。