鍛造變形方式對H13鋼退火組織和力學(xué)性能的影響分析

張力民 唐山志威科技有限公司

一、試驗材料與方法

試驗材料取自電渣重熔的H13鋼錠的芯，直徑為300 mm，尺寸為150 mm×150 mm×200 mm。兩種鍛造和變形方法用于沖壓測試材料。將鍛件球化在860℃退火，然后以小于或等于30-40℃ / h的速度緩慢冷卻至500℃退火后的鋼錠。取樣以觀察帶材在縱向芯中的偏析并測試退火過程中的硬度；將退火的鋼錠進行淬火和回火，該過程是在1030℃保溫30分鐘，然后進行空冷淬火，在水平和縱向中心進行600℃×4 h的雙回火。從零件中取出三個夏比V型缺口沖擊試樣。尺寸為10mm×10mm×55mm，用450J擺式?jīng)_擊試驗儀測量沖擊能，并計算出橫向和縱向的沖擊能之比。使用4%的乙醇硝酸腐蝕金相樣品，并使用Axio Observer A1m Zeiss顯微鏡和Ultra 55場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和研究顯微組織[1]。

二、測試結(jié)果與討論

（一）鑄造結(jié)構(gòu)

鑄造后H13鋼的組織。電渣重熔用H13鋼制成的型芯的樹枝狀晶體尺寸異常大，取向也不明顯。在它們之間有大量明亮的白色共晶碳化物條紋。電渣固化在此過程中，基礎(chǔ)溶液的過冷度較低，固化速率相對較低，導(dǎo)致型芯中的樹枝狀晶體相對較大。在凝固的后期，碳和合金元素在樹枝狀結(jié)晶之間不斷富集，鋼水達(dá)到共晶成分。當(dāng)發(fā)生共晶反應(yīng)時，大量的初級共晶碳化物直接從液相中沉淀出來。樹枝狀偏析和共晶碳化物會降低材料的成分和均勻性，并且是影響碳化物形態(tài)和退火組織的沖擊特性的重要因素。

（二）鍛造變形方法對共晶碳化物的影響

共晶碳化物是一種主要碳化物，直接從樹枝狀晶體之間的殘留液相中沉淀出來。它是亞穩(wěn)態(tài)的共晶萊氏體，共晶碳化物的熔點非常高。它具有高硬度和高脆性，難以通過熱處理除去。這是H13鋼中熱疲勞裂紋的典型來源。鍛造處理可以有效地破壞帶狀共晶碳化物，從而改善共晶碳化物的形態(tài)和分布。腐蝕后可以觀察到黑色樣品中帶有的顏色為白色并且含亮光的共晶碳化物。在使用兩種鍛造方法的鍛造坯料的退火結(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量的共晶碳化物。“一次沉積，一次拔出”，共晶碳化物的尺寸較大，周圍沒有尖角，并且周期性地分布在黑色條紋上；“拉深時的三個支柱和三次拉拔”，共晶碳化物的大小很少，而且很小，它們分布在黑條中。嘗試分析原因，鍛造處理對鑄錠的核心結(jié)構(gòu)和枝晶之間的偏析區(qū)具有非常好的精煉效果。同時，共晶碳化物也會分解并溶解。“三沉三拔”的鍛造比大于“一鐓一拔”的鍛造比。鍛件的變形更充分，共晶碳化物的破壞程度更大。此外，還有“三下沉”拉深變形的過程更加復(fù)雜，因此，鍛造點火次數(shù)增加，并且在高溫下斷裂后的共晶碳化物的溶解時間持續(xù)更長的時間，從而導(dǎo)致碳化物數(shù)量的減少，共晶碳化物的尺寸變小，數(shù)目變少[3]。

（三）沖壓變形方法對退火組織碳化物形態(tài)的影響

H13鋼的退火組織應(yīng)為粒狀珠光體組織。作為淬火和回火的初步結(jié)構(gòu)，退火結(jié)構(gòu)中碳化物的形態(tài)，尺寸和分布直接影響所用材料的機械性能和使用壽命。碳化物的形態(tài)在鍛件的結(jié)構(gòu)中經(jīng)鍛造退火。經(jīng)過“一塌落一拉”后，退火組織中的碳化物尺寸不均，圓度差，在晶界處有許多小顆粒長片狀碳化物；在“三個沉積物和三個拉伸量”之后，退火結(jié)構(gòu)中碳化物尺寸的均勻性得到改善。晶界明顯減少，碳化物均勻分布在鐵素體基體中。嘗試分析原因，鑄錠的樹枝狀結(jié)晶之間的成分分離很嚴(yán)重。既有耐火的共晶碳化物，也有大量的次生碳化物。這些次級碳化物在凝固時結(jié)合并生長。它們具有數(shù)量少，尺寸大的特點。鍛造對樹枝狀晶間較大的二次碳化物的破碎作用類似于共晶碳化物。鍛造程度越深，鍛造變形越大，大尺寸次生碳化物的破碎效果越好，在晶界處殘留的條狀碳化物越少，碳化物的尺寸和分布越均勻。

（四）鍛造變形方法對力學(xué)性能的影響

在退火狀態(tài)以及在淬火和回火狀態(tài)下的測試鋼的機械性能。退火后的硬度與235 HB相近且遠(yuǎn)小于235 HB，淬火和回火鋼的硬度在45～48 HRC范圍內(nèi)。其中，“一拉”后的淬火回火狀態(tài)的橫向和縱向硬度分別為47.2 HRC和45.5 HRC，兩者之差為橫向和縱向硬度為1.7 HRC。在“三個沉積物和三個拉伸”之后的硬化和回火狀態(tài)下的橫向和縱向硬度分別為47.7 HRC和46.8 HRC，橫向和縱向硬度值之間的差是0.9 HRC。在硬度均勻性方面，“三個沉降和三個拉伸”可以減小樣品水平和垂直方向之間的硬度差。比較其沖擊特性，可以看出，“一鐓一拔”后在淬火和回火狀態(tài)下的水平和縱向沖擊能分別為6.34 J和7.52 J，水平與垂直沖擊能之比為0.84。在“三沉三拉”之后進行調(diào)整。橫向和縱向沖擊的定性能量分別為9.06 J和9.85 J，橫向和縱向沖擊的能量之比為0.92。根據(jù)NADCA標(biāo)準(zhǔn)207-2003，高質(zhì)量H13鋼的平均沖擊韌性不小于8.2 J，且橫向沖擊能量與縱向沖擊能量之比不少于運行要求規(guī)定的0.8。偏析分布，改善了退火組織中碳化物的尺寸和分布的均勻性，提供更均勻組成的制備結(jié)構(gòu)，并減少了由帶狀結(jié)構(gòu)引起的材料機械性能各向異性。

三、結(jié)論

（1）與“一鐓一抽”相比，使用“三沉積三抽”后，H13鋼帶的偏析明顯降低，退火后的碳化物尺寸更均勻，分布更分散，并且在淬火和回火良好狀態(tài)下的橫向和縱向韌性顯著提高了性能。

（2）鍛造變形方法對H13鋼的退火組織和力學(xué)性能影響很大。 “三沉降三拉伸”顯著改善了機械性能，因為反復(fù)的鍛作增強了材料核心的壓實效果，使材料在各個方向上完全變形，心臟組織和碳化物得到了進一步的細(xì)化。

（3）“三鐓三抽”可以大大提高H13鋼的均勻性和力學(xué)性能，是提高H13鋼質(zhì)量和使用壽命的最佳熱變形方法。