H13模具钢带状偏析演化规律

H13钢是世界上广泛使用的热作模具钢，直接影响模具的使用寿命H带状偏析和偏析带中的大型共晶碳化物也是13钢质量的重要因素H13钢中常见的缺陷

模具钢，图源网络

北美压铸协会专门制定H13退火组织评级图(NADCA207-2003)作为评价H13钢退火质量标准退火组织中的严重带状偏析将继承回火，严重影响钢的力学性能。因此，为了改进带状偏析的形成和转化规律H然后提高了13钢的质量H13钢的寿命具有重要意义

系统研究作者H在13钢热处理过程中，提出了减少带状偏析的工艺措施，指导工业生产

试验钢采用非真空感应炉 电渣重熔，钢锭重量约75kg，经1160~1180℃加热锻造成70mm圆棒，平均锻造比约为4？锻造成品冷却后，880℃×2h~760℃×4h如表1所示

金相样品腐蚀4%硝酸酒精，用光学显微镜和发射扫描电子显微镜和能谱分析仪观察和分析圆棒心显微组织碳化物的类型、形状、尺寸和成分；显微硬度计用于测量显微硬度

2.1铸态组织向退火组织的转化

1.组织中可以看到大量合金碳化物富集的共晶碳化物[图1(b)]?

( a ) 50 倍金照片；( b ) 500 倍金相照片

图1. H13钢的铸态组织

在凝固过程中，碳和合金元素含量较低，形成枝晶臂[图1(b)中灰色区域(b)由于金属元素的丰富，当液体过饱和时，第二相粒子会沉淀。这些第二相粒子聚集在分支晶体之间，成为凝固过程中的微观分析来源。在更终凝固的中心区域，碳和金属元素（主要是钒）会形成不平衡的亚稳定共晶碳化物，主要是MC共晶碳化物呈白亮条状，见图1(b)?所以，H13钢铸态组织中的大量金属元素是后续组织带状偏析的直接原因

( a ) 横向；( b ) 纵向?

图3. H13 退火态金相组织

图3显示了等温退火后试验钢的水平纵向组织。消除热锻拔长和等温退火H13钢的带状偏析效果不明显？在钢锭热加工锻造过程中，原铸造组织的枝晶偏析沿变形方向拉长，逐渐与变形方向一致。枝晶偏析仍保留在一定程度上，形成碳和金属元素的贫化带[图3(b)富化带[图3](b)原铸态组织中的枝晶臂和枝晶间相互交替堆叠的两个偏析带

偏析导致碳和金属元素的贫化带富化带固相变化温度不同。在等温球化退火过程中，碳化物渐减少表面Oswald成熟的形式从小颗粒迁移到大颗粒，更终在铁素体上形成大碳化物和小碳化物交替排列的形状锻造，但碳化物不能完全消除。碳化物分布在二次碳化物密集区（图6）

图6. 共晶碳化物在退火组织中

2.2淬火后带状偏析的转化

图7为H13经过1030℃淬火组织的带状偏析遗传于淬火组织

(a) 横向;(b) 纵向 ?

图7. H13 淬火金相组织

1030℃退火组织在奥氏体化过程中(Cr,Fe)7C3?M6C等相完全溶解成奥氏体，部分MC由于溶点较高，相(包括颗粒和共晶碳化物)淬火后残留。MC碳化物分布不均匀的结果是残留物MC碳化物集中分布的区域在高温淬火后仍保持较高水平

这是因为细碳化物颗粒对晶界的钉扎作用和金属元素的丰富降低了碳原子的扩散速度，从而抑制了晶粒的生长？ 1100℃高温淬火热处理仍然不能消除组织中的粗大共晶碳化物，导致这些碳化物保留H13钢的更终回火状态(图12)

( a ) 深色区域；( b ) 浅色区域?

图12. H13回火组织

带状差异仍然存在于回火组织中，这是淬火后带状偏析的组织遗传。但高温回火后，隐针和针状马氏体区域不明显，组织为回火马氏体和小碳化物

回火转化过程中金属元素分布不均直接导致组织不均匀H更终获得13钢的更终力学性能H13成品纵向V缺口冲击试样冲击功分别为6.1和13.4J，等向性仅为0.46可见，传统热处理后带状组织机械性能低，特别是微硬度高的带状偏析区。由于共晶碳化物的集中分布较大，材料在外力作用下容易产生应力集中，是组织中较弱的区域

一般来说，在相同的冶炼条件下，钢锭心脏的力学性能随着尺寸的增加而下降，即所谓

模具的使用寿命与钢的冲击韧性密切相关。Corwyn测试了532个不同退火带状偏析级别的模块。研究发现，退火组织的优缺点与冲击韧性有关？如果退火组织中有严重的碳化物偏析带，则偏析带中有大量的液析共晶碳化物，该缺陷将保持回火，对钢的冲击韧性有很大的影响？带状偏析不仅影响钢的冲击韧性，还影响抗拉强度等一系列重要性能，从而降低钢的等向性？

如上所述，传统的热处理（退火淬火回火）不能显著改善元素的不均匀分布，也不能消除带分析。虽然锻造或轧制可以减少带分析带宽，但仍不能从根本上消除分析？因此，退火前原组织的均匀性对钢的质量有重要影响？控制退火前组织的均匀性对均匀退火组织具有重要意义？

长期高温扩散退火不仅可以改善元素的不均匀分布，还可以溶解偏析带中的大型共晶碳化物，减少其尺寸和一次性共晶碳化物对钢力学性能的影响。高温扩散温度和时间的选择应考虑以下两个

1)尽量提高扩散温度，增加扩散时间，减少金属元素的偏析指数，但应考虑高温和长期扩散引起的脱碳和晶粒的异常生长

2)高温扩散后，采用特殊的细化方法恢复生长颗粒？有文献报道称，采用此工艺进行改进H提高13退火组织的均匀性H13综合性能，笔者将采用类似的工艺H13水平纵向冲击功(V分别提高到10.2和14.2J，等向性达到0.72.但仍需进一步的实验研究来改进H13水平冲击韧性达到世界先进水平

1)H13钢铸分支晶体组织存在严重的成分分析，热变形后沿锻造方向分布，导致退火组织带状碳化物分析，表现为碳化物尺寸分布和密度差异，带状分析的本质是金属元素的成分分析

2)H13钢退火带状偏析将遗传至淬火和回火。偏析带的组织变化和组织不均匀性的影响存在差异H13钢的综合性能

3)常规热处理不能消除退火组织偏析带中的大型液析共晶碳化物，这些碳化物保持在钢的回火状态H13钢的冲击韧性影响很大

4)控制良好的退火组织可以制造高质量的退火组织H13热作模

文献来源:周健(钢铁研究院)，H13钢带3钢带状偏析的演化规律

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