改善H13系列熱作模具扁鋼退火組織的工藝研究

孫盛宇，付 博，趙騰飛，葉世圣

（1.東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105；2.東北特殊鋼集團股份有限公司第二軋鋼廠，遼寧大連 116105）

1 引言

H13鋼是全球范圍內使用最普遍的熱作模具鋼之一，該鋼具有優異的淬透性、淬硬性、耐磨性、高溫強韌性、抗熱疲勞性以及穩定優良的機加工性和拋光性，被廣泛用于制作鋁合金壓鑄模具、擠壓模具和熱鍛模具等。

由于H13鋼中的強碳化物形成元素Cr、Mo、V含量較高，在鋼錠澆注過程中易形成枝晶偏析，在枝晶間最后凝固殘液內富集著碳和鉻等溶質元素，凝固析出大量碳化物，在鍛軋后沿變形方向呈帶狀分布，造成退火組織中出現呈帶狀的碳化物偏析，碳化物帶狀偏析越嚴重鋼的橫向沖擊功越低，等向性越差[1～2]。在枝晶臂間最后凝固的中心區域到達共晶成分時會生成一次液析碳化物，分布在晶體內粗大的液析碳化物，因自身開裂或與基體界面脫離使材料脆性增大，導致塑性、韌性降低，材料提前失效[3～4]。H13鋼終軋溫度較高時若在800℃～600℃內緩冷或冷卻速度不夠會大量產生延晶界析出的二次碳化物[5]，形成網狀。這種鏈狀碳化物薄網的存在，削弱了金屬間的結合力，使晶界弱化，造成裂紋優先在碳化物聚集的晶界處形成并沿晶界擴展，二次碳化物網越嚴重，韌性越差[2][4]。

NADCA#207和SEP1614標準為評價帶狀偏析、液析碳化物和網狀碳化物提供了相應的帶狀和組織評級圖譜；按這兩個標準對某廠生產的H13系列扁鋼退火組織進行評定，一次合格率僅為79%，因此為進一步提高組織一次合格率有必要對H13扁鋼的生產工藝進行梳理、改進，本文主要從鋼錠高溫擴散、扁鋼軋后冷卻及球化退火等方面的工藝研究進行闡述。

2 試驗材料及方法

某廠H13系列扁鋼包含多個牌號，化學成分根據H13進行微調，主要代表牌號及化學成分如表1所示。H13系列扁鋼主要工藝路線為EBT+LF+VD→模鑄→鋼錠加熱、軋制開坯→扁鋼軋制成材→球化退火→檢驗、精整、包裝入庫。

表1 某廠H13系列代表牌號與化學成分 %

本文以H13鋼為研究對象，分別按表2的5組工藝進行試驗，每組工藝試驗1個爐次，錠型均采用4.2t扁錠，扁鋼成品厚度均為35～120mm，在線水霧冷卻強度的變換是通過控制噴水閥門的開關、噴水強度實現，并根據輥速和冷卻道次控制最終溫度。退火后扁鋼按NADCA#207標準評價退火組織及帶狀級別，金相試樣用4%硝酸酒精腐蝕，用ZEISS AxioImager Z2M光學顯微鏡分析顯微組織、碳化物類型、形態。

表2 5組工藝的主要工藝參數

3 試驗結果

5組工藝的退火組織和帶狀一次合格率如表3所示。

表3 5組工藝的退火組織和帶狀一次合格率 %

4 結果分析

4.1 帶狀偏析及液析碳化物的改善

表3是5組不同工藝的退火組織和帶狀按NADCA#207標準檢驗的合格率情況，圖1是5組不同工藝具有代表性的退火組織和帶狀金相照片。檢驗結果表明當采用1#和2#加熱工藝，即鋼錠按1,230℃保溫15h時，帶狀合格率不大于50%，帶狀偏析區域存在液析碳化物，見圖1a、圖1c所示。當按3#～5#工藝將鋼錠加熱溫度提升至1250℃，保溫時間延長至30h時，帶狀全都合格，說明該工藝能夠完全消除液析碳化物，如圖1e、圖1g、圖1i所示。

由圖1c和圖1e可知，隨著加熱溫度的提高，鋼錠的枝晶偏析擴散得越充分，偏析程度減弱，但采用1,250℃的加熱溫度無法完全消除帶狀偏析，而當加熱溫度繼續升高到1,300℃并長時間保溫，帶狀組織可以消除[6～7]。考慮到1,300℃高溫擴散后組織晶粒異常粗大，氧化嚴重且晶界局部發生熔化[7]，生產成本加大，一般采用1,250℃的高溫擴散溫度。

由此可見，消除液析碳化物可以通過鋼錠按1,250℃保溫30h的高溫擴散工藝消除，帶狀偏析可以較大程度地緩解。

4.2 退火組織均勻性改善

扁鋼終軋溫度大于860℃，軋后冷卻速度低于臨界速度后易發生珠光體、貝氏體轉變并在晶界析出二次碳化物，呈現出網狀，從圖2 H13鋼樣棒的CCT曲線可知，虛線為二次碳化物析出線，當冷卻速度提高到只發生馬氏體轉變時可以避免形成珠光體、貝氏體組織及網狀碳化物。考慮規格影響，為保證厚規格在冷卻前期的降溫速度，必須增大冷卻強度，而冷卻強度不是越大越好還需考慮鋼材的冷卻變形、冷卻最終溫度等因素。由于是在軋制線上直接冷卻，冷卻設備有寬度限制，若冷卻變形較大，扁鋼彎曲嚴重會引起卡鋼；當冷卻強度及時間控制不當，冷卻最終溫度低于100℃時，扁鋼端頭開裂率急劇上升，嚴重者出現斷裂。而在線水霧冷②工藝很好的解決了上述問題。

圖1 5組工藝的退火組織及帶狀

由工藝1#的組織合格率（0%）和工藝2#、3#的組織合格率（75%和68%），可知扁鋼軋后在線水霧冷①工藝對組織合格率提升有顯著作用，從工藝1#的金相組織圖1b可知退火組織中存在珠光體組織，級別為AS15。在線水霧冷①工藝是通過軋線后部的預硬化設備對扁鋼進行噴水噴霧操作起到快速冷卻的效果。經水霧冷①工藝處理的金相組織具有較明顯的貝氏體轉變特征如圖1d、圖1f所示，組織中網狀碳化物較少，但出現比較明顯的白色區域。

另外需要說明的是采用水霧冷①工藝出現組織不合的規格集中在厚度大于80mm范圍內，這是由于不同規格在對應冷卻道次的設置參數是一樣的，即不同規格的第1道次或第2道次或第3道次的冷卻強度是相同的，不同規格冷卻工藝的差異僅體現在冷卻道次的數量上。在相同的冷卻強度下，厚規格的冷卻速度低于薄規格，因此厚規格發生貝氏體轉變，經過退火后，部分貝氏體特征保留在組織中。

圖2 H13鋼棒樣CCT曲線

采用工藝4#生產的H13扁鋼的組織合格率進一步提升至95%，主要組織合格級別如圖1h所示，評級為AS6，組織中的粒狀碳化物較均勻地分布在鐵素體上，明顯的白色區域已消失。工藝4#的在線水霧冷②工藝針對不同規格組距的不同冷卻道次設計了相應的冷卻參數，在相同冷卻道次上，厚規格的冷卻強度大于薄規格，在同一規格組距內，前一道次的冷卻強度大于后一道次。

工藝5#將退火工藝中750℃等溫段保溫時間延長了4h，從圖1j金相組織可以看出碳化物球化效果更好，分布更加均勻。

5 結論

（1）加熱溫度1,250℃，延長高溫擴散時間至30h可以改善帶狀、液析碳化物。

（2）提高軋后冷卻速度，根據成品厚度規格設置不同的冷卻工藝，可以改善退火組織均勻性。

（3）延長750℃等溫球化的保溫時長可進一步提升退火組織均勻性。