H13钢先进热处理技术应用研究_钢热处理工艺研究现状
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H13钢热处理工艺的优化
H13钢热处理工艺的优化
王庆亮，陈汉辉，续 维，吴晓春，闵永安
（1,宝钢集团上海五钢有限公司制造管理部,上海 200940 2，上海大学，上海，200720）
2摘要：高温均质化、超细化处理是优质H13钢模块生产中的关键技术。高温均质化处理可基本消除钢中的共晶碳化物，显著改善成分偏析；超细化处理可使H13钢组织得到细化，并进一步提高组织、性能均匀性。采用高温均质化处理和超细化处理，可以使H13钢等向性明显改善，冲击韧性、热疲劳抗力显著提高。关键词： 热作模具钢；高温均质化；冲击韧性；热疲劳
Improvement on Heat Treatment Technology for H13 Steel
WANG Qing-liang1，CHEN Hanhui1，XU Wei1，WU Xiao-chun2，MING Yong-an2(1, Baosteel Group Shanghai No.5 Steel Co., Ltd.;manufacturing management
department,shanghai 200940,china
2, Shanghai University shanghai 200940,china 2,)
Abstract: Both high temperature homogenization treatment and superfining treatment are key techniques in the production of quality H13 die steel block.High temperature homogenization treatment can basically eliminate eutectic carbide and dramatically improve the segregation in steel.Superfining treatment can fine the microstructure of H13 die steel and further improve its uniformity of both microstructure and performance.H13 die steel produced in the new proce flow route has been well-improved in anisotropy, impact toughne and thermal fatigue.Key Words: hot working die steel, high temperature homogenization, impact toughne, thermal fatigue
1.背景
我国自上世纪八十年代引进H13钢以来，许多钢厂都能生产H13钢。目前H13钢是国内外应用最广泛的热作模具用钢。当前国内H13钢的生产是按GB/T1299-2000标准，该标准仅规定了H13钢的低倍、硬度、脱碳层性能指标，而对热作模具钢使用性能影响较大的显微组织及冲击韧性等关键指标却没有提及。造成国内特殊钢生产企业普遍不重视对钢材显微组织的控制，以致国产H13钢的质量大体上不尽如人意，尤其是大型模块，偏析比较严重，存在粗大共晶碳化物，二次碳化物网状析出严重，模块心部较表面更为显著，而同样
[4]进口的优质H13钢材质均匀，碳化物弥散分布、细小均匀，具有良好的等向性能与热疲劳性能，虽然价格比国产H13钢高出2倍以上，但一直占据着国内高档H13模具钢市场的主导地位。
H13钢的理想组织状态是没有共晶碳化物和晶界碳化物，以及无显微偏析的均匀的显微组织。共晶碳化物主要是在凝固时产生，会造成应力集中，是潜在的热疲劳裂纹源。可以
H13钢热处理工艺的优化
3.2.成分偏析：
Wt%
Cr
um
V
um
„均质化前 —均质化后
Wt%
„均质化前 —均质化后
图3 H13钢高温均匀化前后Cr、V元素的微区成分分析
经过在1200℃以上的高温长时间的保温，H13钢成分偏析得到改善，成分更加均匀。通过对H13钢高温均匀化前后元素微区成分分析，Cr、Mo、V合金元素的成分上下波动幅度较小，如图3所示。3.3冲击韧性
按照北美压铸协会对优质H13钢的验收标准NADCA＃207标准进行制备，为7mm×10mm×55mm无缺口试样。试样经1025℃±10℃保温30分钟后油淬，二次高温回火后获得44HRC～46HRC的硬度。
***100500纵向表面纵向心部横向表面横向心部冲 击 功 J
1＃工艺H132＃工艺H13
图4 传统工艺H13和特殊热处理H13冲击性能比较
图4表明，采用高温均质化＋超细化处理的H13钢各向冲击韧性均有不同程度的提升，尤其是横向性能指标提升很大。横纵向冲击韧性之比从0.14～0.63提升到0.80以上，显示出良好的等向性能。这是由于H13模块的组织性能得到提高，基本避免了共晶碳化物和二次碳化物，提高了组织均匀性。3.2 热疲劳性能
采用Uddeholm热疲劳试验方法对比研究了传统工艺H13钢和特殊热处理H13钢模块心部试样的热疲劳性能。图5为热疲劳试样示意图。所有热疲劳试样均经1020℃真空淬火和600℃回火两次获得约48HRC的硬度，采用高频感应加热装置加热和自来水喷射冷却使试样表面温度在20~700℃之间循环。循环一定周次后后用稀盐酸溶液清洗，洗去表面氧化层后在体视显微镜观察裂纹的形成和发展。
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在固体中，扩散是物质传输的唯一方式。影响扩散的因素很多，由扩散第一定律可以看出，单位时间内的扩散流量大小取决于两个参数，一个是扩散系数，一个是浓度梯度。其中温度是影响扩散系数的最主要因素，温度越高，原子的振动能越大，因此借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。此外，温度越高，金属内部的空位浓度提高，也有利于扩散。Cr7C3型碳化物开始溶入奥氏体的温度为950～1050℃，但要完全溶入则需要一定的保温时间和更高的加热温度，而这个温度又不能引起钢的过烧。经过试验，获得了比较合理的高温均质化工艺，经过实际生产验证，可以基本消除共晶碳化物，改善成分偏析。4.2 超细化处理
经过高温质均化处理H13钢，虽然基本消除了共晶碳化物，但经过高温阶段的长时间保温，容易在锻造后出现魏氏组织、粗大晶粒等组织缺陷。为降低模块开裂风险，模块锻后一般采用较缓慢的速度冷却，所以大型热作模块锻后心部组织中二次碳化物会沿晶析出形成碳化物链，严重时会形成网状碳化物。上述这些缺陷采用一般的退火工艺难以消除。针对H13钢的相变特点，相应开发了专门的组织超细化热处理工艺，改善锻后组织，提高H13钢的组织、性能均匀性。
H13钢模块锻后超细化处理，通过重新奥氏体化和二次碳化物的溶解来提高组织均匀性，通常Cr23C6开始溶入奥氏体的温度为900～1000℃，但由于Mo、V的存在，使（Cr,Fe,Mo,V）23C6开始溶入奥氏体的温度升高到1000～1020℃[9]。通过合理的奥氏体化工艺参数的制定，即保证了二次碳化物的重溶，又使锻后组织得到了细化。在随后的冷却过程中，通过关键温度区间冷却速度的控制，基本抑制了二次碳化物的沿晶析出，并在随后的热处理工序中，使碳化物弥散均匀地分布在铁素体上（如图3所示）。
H13钢模块的超细化处理，不仅为用户的模具机械加工作了组织准备，也为优良的淬回火组织的获得奠定了基础。其中作用类似于为提高热作模具的强韧性而进行的预备热处理，而预处理对热作模具钢组织的改善和力学性能的提升具有相当重要的影响[10]。4.3.对H13钢的性能影响的研究
H13钢在使用过程中主要的失效形式为开裂失效和热疲劳失效。一般采用淬回火态冲击韧性和热疲劳寿命指标进行衡量。
经过均质化和超细化处理，基本消除共晶碳化物，改善成分偏析，获得表里均一的组织，显著提高模块心部的力学性能，使冲击功横纵比达到0.8左右，减少了模具因为心部强韧性不足引起的开裂失效
热疲劳裂纹通常形成于模具型腔表面热应力集中处，随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂纹间相互连接形成严重的网络状裂纹而导致模具失效。H13钢中材质不均匀，存在粗大碳化物和碳化物网、链时，热疲劳裂纹主要在这些第二相处首先出现，并且扩散速度较快，带有方向性；并当钢材材质纯净度提高，无碳化物这类裂纹源时，则热疲劳裂纹一般在晶界处萌生。热疲劳裂纹一旦形成，将随着循环次数增加不断扩展，且裂纹尖端沿着晶界扩展，形成网络状均匀的裂纹，甚至形成二次、三次裂纹，吸收了应力能量、减缓了扩散速度，提高了热疲劳寿命。5.结论
5.1 高温均质化处理可基本消除H13钢电渣锭组织中的块状共晶碳化物，并显著改善钢中的成分偏析。
