熱處理對噴射成形H13鋼組織性能的影響

謝敬佩，曹飛楊，王淼輝，劉恒三

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽 471023;2.機械科學研究總院 先進制造技術研究中心,北京100083)

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熱處理對噴射成形H13鋼組織性能的影響

謝敬佩1，曹飛楊1，王淼輝2，劉恒三2

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽 471023;2.機械科學研究總院 先進制造技術研究中心,北京100083)

摘要：通過硬度試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、光學顯微鏡以及掃描電鏡分析，對噴射成形H13鋼經熱處理的組織與性能的變化進行了研究，并與傳統鑄造H13鋼的組織和性能進行了對比。研究結果表明：噴射成形H13鋼晶粒細小，消除了元素偏析，熱處理后碳化物彌散分布于晶界和馬氏體邊界；而傳統鑄造H13鋼晶粒粗大，存在大量粗大的一次碳化物，惡化了材料性能。

關鍵詞：噴射成形；H13鋼；熱處理；組織性能

0引言

由于H13熱作模具鋼具有較高的淬透性、較好的高溫強度以及良好的綜合力學性能，因此成為鋁合金壓鑄模的首選模具鋼，并且廣泛應用于熱鍛模和熱擠壓模。傳統鑄造工藝生產的H13鋼組織中會存在帶狀偏析，經過鍛造仍不能有效消除。元素偏析造成的組織不均勻能夠降低H13鋼的力學性能，導致模具出現早期失效現象，減少模具壽命[1-4]。

噴射成形工藝是一種把液態金屬通過霧化、沉積，直接得到近終形產品的技術。由于霧化、沉積過程冷速快，具有快速凝固的特點，如晶粒細小、組織均勻和無宏觀偏析等[5-7]。文獻[8]研究了噴射成形H13鋼的顯微組織和過噴粉末對組織的影響，發現噴射成形H13鋼的組織為細小的等軸晶，幾乎沒有碳化物，且隨著過噴粉末尺寸的減小，一次枝晶也逐漸減小。但是文獻[8]并沒有系統地研究熱處理對噴射成形H13鋼組織變化以及性能的影響。本文分析了噴射成形H13鋼經過不同溫度熱處理后的組織演變和力學性能，并與傳統鑄造H13鋼進行了對比，驗證了噴射成形工藝的優越性。

1試驗材料及方案

1.1試驗材料

感應熔化的H13鋼液流通過中間包進行霧化，被高壓氮氣加速后沉積在基板上，逐層累積成鑄錠。由于噴射成形的沉積坯存在一定的孔隙，因此對其進行鍛造加工，得到更加致密的H13熱作模具鋼，其化學成分見表1。噴射成形工藝參數和鍛造工藝參數見表2。

表1　噴射成形H13鋼的化學成分　%

表2　噴射成形工藝參數和鍛造工藝參數

1.2試驗方案

對鍛造后的噴射成形H13鋼分別在980 ℃、1 000 ℃、1 020 ℃、1 050 ℃、1 080 ℃和1 100 ℃淬火，保溫30 min，淬火介質為油。回火溫度分別為300 ℃、400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃和700 ℃，保溫2 h，回火2次。

1.2.1力學性能測試

室溫硬度測定采用HRS-150D型硬度計，每個試樣測6個點，取平均值。室溫拉伸試驗在WDW-200D型萬能試驗機上進行，取3個試樣，按GB/T 228—2002[9]進行測試。試樣尺寸為：截面直徑d0=5 mm，夾持長度L0=25 mm，總長90 mm。室溫沖擊試驗采用V型缺口試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，過渡弧半徑R=0.25 mm，擺錘能量30 J。

1.2.2顯微組織觀察

試樣經研磨、拋光和腐蝕后，進行組織分析，腐蝕劑采用三氯化鐵溶液。顯微組織分析在OLYMPUS PMG3型光學顯微鏡和JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)上進行。

2結果與討論

2.1組織分析

圖1為噴射成形H13鋼在不同淬火溫度下的顯微組織，經不同溫度淬火后的組織主要為馬氏體、少量殘余奧氏體和一些未溶碳化物。退火態噴射成形H13鋼中碳化物類型主要為含Cr的碳化物M23C6、含Mo的碳化物M6C和含V的MC型碳化物。

圖1　噴射成形H13鋼在不同淬火溫度下的顯微組織

淬火溫度為980 ℃時(見圖1a)，由于奧氏體化溫度較低，合金碳化物溶入基體較少，因此，淬火組織中存在大量的鐵素體。淬火溫度為1 020 ℃時，仍有部分短棒狀碳化物存在。隨著淬火溫度進一步升高，合金碳化物逐步溶入奧氏體，增加了材料的淬透性，淬火后組織為細針狀馬氏體。淬火溫度為1 050～1 070 ℃時，M23C6型碳化物達到最大溶解度，而M6C和MC型碳化物熔點較高，要使其完全溶解需要更高的淬火溫度[10]。

由于噴射成形H13鋼在淬火溫度為1 050 ℃時，合金元素能夠充分固溶，試樣硬度適中，開裂較少，同時奧氏體晶粒沒有明顯長大[11]，因此，選擇在1 050 ℃淬火后對試樣進行不同溫度回火，回火后的組織照片見圖2。H13鋼的回火實質上是合金元素碳化物從過飽和α固溶體中脫溶析出的過程，淬火馬氏體析出ε碳化物而成為回火馬氏體，同時殘留奧氏體將分解轉變為馬氏體或者回火馬氏體。500 ℃回火后的組織為回火馬氏體，這是由于在回火初期，Cr、Mo、V和Si等合金元素可以抑制碳原子偏聚、抑制馬氏體和殘余奧氏體分解[12-13]。隨著回火溫度的升高，在馬氏體基體內部和晶界處碳化物析出逐漸增加。在回火溫度為600 ℃時，回火組織開始向回火索氏體過渡，鐵素體相開始緩慢恢復，部分馬氏體板條開始合并。由于回火索氏體是粒狀滲碳體和等軸鐵素體所構成的復相組織，與馬氏體相比，其硬度較低。

圖2　噴射成形H13鋼經不同溫度回火后的組織照片

2.2力學性能

圖3a為噴射成形H13鋼和傳統鑄造H13鋼在不同溫度淬火后的回火硬度。由圖3a可知：隨著淬火溫度的升高，試樣硬度也逐漸增大。這是因為基體中溶入了更多的合金元素，增大了材料的淬透性，但是淬火溫度太高又會增加晶粒長大的風險。噴射成形H13鋼低溫回火時硬度基本沒有變化，回火溫度為600 ℃時，硬度降低明顯，980 ℃、1 000 ℃和1 050 ℃淬火試樣的硬度分別降低至42.9HRC、41.9HRC和48.8HRC，這與馬氏體的回復和碳化物聚集長大有關[14]。圖3b為噴射成形H13鋼和傳統鑄造H13鋼試樣在1 050 ℃淬火后的回火硬度。由圖3b可知：隨著回火溫度的升高，兩種H13鋼硬度均下降，650 ℃回火時，由于噴射成形H13鋼的晶粒細小，回復進程較傳統鑄造H13鋼稍快，因此硬度比傳統鑄造H13鋼略低。

噴射成形H13鋼經1 050 ℃淬火后，分別在500 ℃、550 ℃、600 ℃和650 ℃進行回火處理，拉伸試驗結果見表3。由表3可看出：隨著回火溫度的升高，試樣的抗拉強度逐漸降低，而伸長率逐漸增加，即回火溫度越高，試樣強度越低，塑性越好。500 ℃回火時，抗拉強度最高為2 361 MPa，伸長率只有8.0%。550 ℃回火時，試樣的伸長率在10%以上，但是硬度在55HRC左右，而H13鋼工作時硬度在47HRC左右最為合適[15-16]。650 ℃回火時，抗拉強度只有1 088 MPa，伸長率達到了23.6%。在600 ℃回火時，噴射成形H13鋼的抗拉強度為1 610 MPa，伸長率為13.7%，同時硬度也能滿足工作條件，得到最優的強韌比，獲得優良的綜合力學性能。

圖3　兩種H13鋼在不同溫度淬火后的回火硬度

回火溫度/℃500550600650抗拉強度/MPa2361205716101088伸長率/%8.011.313.723.6

對拉伸斷口進行掃描電子顯微鏡觀察，結果見圖4。由圖4可看出：500 ℃回火時，斷口呈明顯的解理斷裂。550 ℃回火時，斷口已經出現了韌窩。650 ℃回火時，斷口韌窩更加細小。說明隨著回火溫度的升高，噴射成形H13鋼的韌性不斷提高。

圖4　噴射成形H13鋼不同回火溫度拉伸斷口SEM圖片

圖5為1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后，噴射成形H13鋼和傳統鑄造H13鋼的顯微組織照片。在600 ℃回火時，噴射成形H13鋼晶粒均勻細小，為8～10 μm，而傳統鑄造H13鋼晶粒較粗大；同時傳統鑄造H13鋼的碳化物已經聚集長大，并開始球化，而α相已經失去馬氏體板條形態，發生明顯回復，因此，硬度略低于噴射成形H13鋼。噴射成形H13鋼在600 ℃回火時，α相仍保持板條特征，這是由于細小彌散的碳化物和基體中的位錯相互作用的結果。

圖5　1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后兩種H13鋼的顯微組織照片

表4為傳統鑄造H13鋼與噴射成形H13鋼的室溫力學性能結果。由表4可知：試樣經1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后，噴射成形H13鋼的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率以及沖擊韌性都高于鑄造H13鋼。 噴射成形H13鋼由于其快速凝固的特點，組織中幾乎沒有一次碳化物，并且消除了元素偏析，組織均勻細小。熱處理后碳化物彌散分布于晶界和馬氏體界面，對位錯產生釘扎作用，強化了材料性能。傳統鑄造H13鋼由于存在粗大碳化物和偏析，組織不夠均勻，晶粒粗大，導致材料的性能不好。熱處理后的回復軟化造成材料硬度降低。總體來看，噴射成形H13鋼的性能優于傳統鑄造H13鋼。

表4　傳統鑄造H13鋼與噴射成形H13鋼的室溫力學性能

3結論

(1)噴射成形H13鋼經淬火回火處理后，組織為回火馬氏體+碳化物，600 ℃回火時組織開始發生回復，馬氏體板條逐漸分解，碳化物逐漸長大。

(2)隨著淬火溫度的升高，噴射成形H13鋼的硬度變大。回火處理后，噴射成形H13鋼的抗拉強度隨著回火溫度的升高而降低，韌性隨著回火溫度的升高而增加。1 050 ℃淬火、600 ℃回火時，噴射成形H13鋼不僅具有最佳的強韌比，同時硬度在47HRC左右，均滿足H13鋼工作環境要求。

(3)由于噴射成形H13鋼晶粒細小，組織均勻，熱處理后碳化物顆粒細小彌散分布，對材料起到了強化作用，而鑄造H13鋼晶粒粗大，存在大量粗大的一次碳化物，熱處理后難以消除，因此，噴射成形H13鋼的性能優于鑄造H13鋼。

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基金項目：國家“973”計劃基金項目(2012CB025906)

作者簡介：謝敬佩(1957-),男,河南安陽人,教授,博士,博士生導師,主要從事高性能復合材料設計與加工等方面的研究.

收稿日期：2016-01-12

文章編號：1672-6871(2016)05-0001-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.001

中圖分類號：TG142.1

文獻標志碼：A