H13鍛后熱處理工藝改進

文/游娜,李建輝,梁鵬·中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司

H13鍛后熱處理工藝改進

文/游娜,李建輝,梁鵬·中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司

游娜:鍛壓技術科副科長，工程師，主要從事大型鑄鍛件產品鍛造及鍛后熱處理工藝編制研究工作。

H13模具鋼在鍛后經過球化退火熱處理后，檢測出現網狀碳化物，為消除網狀碳化物，選擇不同的正火溫度及時間進行試驗，檢測組織狀態，進而確定合適的正火溫度及時間。將鍛后熱處理工藝改為正火+球化退火，改善產品的組織和性能。

熱作模具鋼工作時承受較大的沖擊力，型腔與熱金屬接觸，且反復受冷受熱，工作環境比較惡劣,對材料性能的要求較高。除具有較高的強度、韌性、耐磨性，還要求具有高的淬透性、回火穩定性及抗疲勞能力。H13含有大量的Cr、Mo、V等元素，滿足熱作模具鋼的性能要求，常用作熱擠壓模、鋁合金的壓鑄模和塑料模，使用溫度≤600℃，還可以用作冷擠凹模，冷擠鋼管環形模、頂件等，是冷熱兼做的模具材料。因此H13大量應用于模具制造中。

H13模具鋼作為公司主要生產的模具鋼產品，其經過電渣-加熱-鍛造-鍛后熱處理后交貨，硬度要求≤229HB，組織按照SEP 1614標準評級合格后驗收。

H13模具鋼鍛造完后空冷，采用等溫球化退火工藝，在860～880℃+740～760℃退火后，獲得點球狀珠光體組織，硬度≤229HB，組織在檢測中出現嚴重的網狀碳化物，不能滿足SEP 1614的要求。為此需要結合生產過程，分析網狀碳化物的成因，摸索合理的鍛后熱處理工藝。

生產過程分析

H13模塊鍛造結束后，終鍛溫度在850℃左右，空冷至一定溫度后裝爐，由于模塊的寬度在1000～1200mm之間，冷卻速度不足，造成碳化物在晶界析出，隨著時間的增長，碳化物沿晶界的形狀形成斷續的線，逐漸在晶界連成網，形成網狀組織。網狀組織形成后，經過等溫球化退火，網狀碳化物不能溶解，在爐冷后依然存在。

網狀組織的存在，會使模具在淬火時開裂，使得脆性加大，承受沖擊載荷時出現脆裂。鍛件出現網狀組織一般采用正火來消除。對于一些有大塊碳化物或網狀碳化物的鋼，可以先加熱到Ac3(Accm)以上10～50℃，使其碳化物全部溶解，然后快冷到較低溫度，再加熱到低于A1的溫度保溫使其球化。為消除網狀碳化物，必須選擇合適的正火溫度及保溫時間。

試驗方案及檢測結果

針對這批模塊取樣后采用不同正火溫度及保溫時間進行試驗。通過膨脹儀測定H13材料的Accm點為922℃，為此選定930℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃的正火溫度；因為試樣大小為20mm×20mm×20mm，保溫時間考慮選擇分別保溫40分鐘、80分鐘。保溫后空冷，300℃低溫回火保溫2小時后，檢測組織及碳化物級別。

原始組織狀態

圖1所示為原始組織狀態，從500×金相照片中可以看出，H13模塊組織為珠光體+大量網狀碳化物，按照SEP 1614評級為GE3，達不到使用要求。

圖1 原始組織狀態

圖2 保溫40分鐘后的金相圖片

表1 不同正火溫度后組織

正火后試驗結果

首先選取6個試樣在各個溫度下保溫40分鐘回火后檢測，如圖2所示。

從圖2中可以看出，在930～1000℃保溫40分鐘后，網狀碳化物并未消除，只有在1020℃、1040℃保溫40分鐘后才能消除。組織檢測如表1所示。從延長保溫時間考慮，再次選取試樣在各個溫度保溫80分鐘后檢測，在930～1000℃保溫80分鐘后的試樣上仍可以看到晶界上的二次碳化物，碳化物呈網狀，圖3所示為1000℃保溫80分鐘后電鏡圖片。

可見，加熱到1000℃以下的溫度，即使延長保溫時間也不能使網狀碳化物全部溶解，因此選取930～1000℃的正火溫度是不合適的，1000℃以上的正火溫度才可以完全消除網狀碳化物。從節能角度來看，溫度越高時間越長，工藝成本也越高；同時溫度越高，晶粒長大的趨勢也越明顯，組織也愈粗大，對后期性能的影響也愈嚴重。正火的目的也是為了細化晶粒，為此從晶粒度方面對1020℃、1040℃分別保溫40分鐘和80分鐘后，檢測晶粒度級別，結果如圖4所示。

1040℃保溫40分鐘后晶粒度3.5級，保溫80分鐘后晶粒度3級，雖然沒有網狀碳化物，但晶粒粗大，沒有起到正火作用，溫度越高，效果并不太理想；1020℃保溫40分鐘后晶粒度6.5級，保溫80分鐘后獲得晶粒度6級。從時間及組織來看，1020℃保溫40分鐘既消除了網狀碳化物又細化了晶粒，是最合理的工藝。

鍛后熱處理工藝的改進

從以上試驗可以看出在1020℃保溫可以消除網狀碳化物，結合產品形狀特點，若鍛后空冷冷卻能力不足，有很大可能出現網狀碳化物。為消除網狀碳化物，保證產品的性能，將鍛后的等溫球化退火改為正火+等溫球化退火。正火后為加速冷卻，采取特殊冷卻手段，加快冷卻速度，球化退火后得到均勻的點球狀珠光體組織，硬度≤229HB。

圖3 1000℃保溫80分鐘后電鏡圖片

圖4 不同正火溫度及時間下的晶粒度

結論

通過對H13正火溫度的工藝試驗，確定在1020℃以上的某一溫度為最終正火溫度，將球化退火工藝改為正火+球化退火的鍛后熱處理工藝，有效的改善了產品的組織和性能，為進一步加快市場開發奠定了良好的基礎。