冷卻方式對(duì)H13鋼組織和性能的影響

朱繁康，楊建志，張偉文

（廣州華工光機(jī)電科技有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引 言

H13鋼屬于熱作模具鋼，具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性和熱疲勞性能，被廣泛用于制造壓鑄模、熱擠壓模和熱鍛模等[1-3]。為了獲得更好的性能，田玉新[4]、彭文屹等[5]研究了熱處理工藝對(duì)H13鋼熱疲勞性能的影響，韓文奎等[6]研究了高溫預(yù)回火對(duì)該模具鋼的沖擊韌性的影響，王永健等[7]研究了Ti含量對(duì)模具鋼組織與性能的影響，葉宏等[8]對(duì)H13鋼表面處理工藝及耐磨性進(jìn)行了研究。然而，奧氏體化加熱后冷卻方式對(duì)H13鋼的組織與性能的影響研究鮮有報(bào)道，現(xiàn)對(duì)H13鋼不同冷卻方式進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)其組織與性能的影響進(jìn)行了研究，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用電渣重熔并經(jīng)過(guò)熱軋的H13鋼板材，截取尺寸為120 mm×55 mm×25 mm的板材，材料的化學(xué)成分如表1所示。將板材加工成試樣，其中硬度試樣尺寸為25 mm×25 mm×27 mm，金相組織試樣尺寸為25 mm×25 mm×25 mm。拉伸試樣的中間尺寸是φ10 mm×60 mm，兩端是M16×20 mm的螺紋，中間與螺紋部分有R10 mm圓弧過(guò)渡，試樣總長(zhǎng)為120 mm。沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)V形缺口夏比沖擊試樣，耐磨試驗(yàn)試樣尺寸為10 mm×10 mm×11 mm，熱疲勞試驗(yàn)試樣尺寸為15 mm×15 mm×5 mm。

表1 材料的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗(yàn)方法

在VOQ2-150型真空爐中進(jìn)行加熱和油冷，在VOQ-150型真空高壓氣淬爐中進(jìn)行加熱和氣冷或爐冷，具體熱處理工藝如表2所示。試樣均在RJ2-45-6型井式回火爐回火2次，第1次回火出爐空冷后，再放入回火爐進(jìn)行第2次回火。

表2 熱處理工藝

試樣拋光后在HRB-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度，測(cè)試面為試樣的3個(gè)相互垂直面，每個(gè)面測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，硬度取平均值，每種工藝測(cè)試3個(gè)試樣。沖擊試驗(yàn)在JB230型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)在WAW-500C型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每種工藝測(cè)試3組試樣，取平均值。金相試樣經(jīng)180#、320#、400#、600#、800#、1000#水磨砂紙相互垂直磨光，并用絨布拋光到接近鏡面，然后用4%硝酸+96%乙醇溶液浸蝕，浸蝕時(shí)間為20～25 s，最后用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡觀察組織。微動(dòng)磨損試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用點(diǎn)接觸形式，對(duì)偶件鋼球材料為GCr15，鋼球直徑為φ10 mm，硬度為62.5 HRC，試驗(yàn)條件為：載荷50 N、速度0.05 m/s、振幅1 mm、試驗(yàn)時(shí)間30 min、干摩擦。試驗(yàn)用萬(wàn)分之一精度電子天平稱(chēng)試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量，計(jì)算磨損失重。熱疲勞試驗(yàn)在鹽浴回火爐中進(jìn)行，模擬壓鑄快速受熱形式，鹽浴采用50% KNO3+50% NaNO3的硝鹽配方，鹽浴溫度為600℃，保溫時(shí)間為1 min，冷卻介質(zhì)為水，水溫為35℃，冷卻時(shí)間為10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 硬 度

圖1所示為硬度測(cè)試結(jié)果，硬度最高的是油冷處理試樣，硬度為51.5 HRC，而爐冷出爐試樣硬度最低，為49.3 HRC，油冷試樣硬度比爐冷試樣硬度高2.2 HRC。

2.2 力學(xué)性能

圖2所示為不同冷卻速度處理試樣的沖擊韌性結(jié)果，油冷試樣、氣冷試樣和爐冷試樣的沖擊韌性分別為 15.1、11.9、6.8 J/cm2，油冷試樣沖擊韌性最好，是氣冷試樣的1.27倍，是爐冷試樣的2.22倍。圖3所示為不同冷卻速度處理試樣的拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，由圖3（a）可知，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度從高到低的分別是油冷試樣、氣冷試樣和爐冷試樣，不同冷卻方式處理的試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度差別不大。由圖3（b）可知，延伸率和斷面收縮率由高到低分別是油冷試樣、氣冷試樣和爐冷試樣。不同冷卻方式處理的試樣之間差別明顯，油冷試樣的延伸率是氣冷試樣的1.04倍，是爐冷試樣的1.66倍；油冷試樣斷面收縮率是氣冷試樣的1.09倍，是爐冷試樣的2.45倍。

圖3 拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.3 顯微組織

圖4所示為不同冷卻速度處理試樣的顯微組織，由圖4（a）可知，油冷試樣的組織為回火屈氏體+回火馬氏體，馬氏體針狀組織比較細(xì)小。由圖4（b）可知，氣冷試樣的組織為回火屈氏體+回火馬氏體，馬氏體針狀組織比油冷試樣粗，在部分晶界位置有非金屬夾雜物和共晶碳化物存在。由圖4（c）可知，爐冷試樣的組織為馬氏體+屈氏體，組織粗大，存在明顯的晶界，在部分晶界相交處有顆粒狀的碳化物，部分晶界交接處浸蝕后形成孔洞。

圖4 試樣顯微組織

2.4 磨損性能

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，磨損量由少到多分別是油冷試樣、氣冷試樣、爐冷試樣。在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，氣冷試樣磨損量約是油冷試樣的1.3倍，爐冷試樣磨損量約是油冷試樣的2.1倍，由此可知油冷處理的試樣耐磨性最好。

圖6所示為不同工藝試樣磨損SEM的形貌，磨損形貌與試樣磨損量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，油冷試樣磨痕的犁溝淺且脫落坑少；氣冷試樣磨痕的犁溝較寬且較深，有明顯的脫落坑；爐冷試樣的磨痕有大片脫落坑，存在明顯顆粒物。各試樣的磨損機(jī)理主要為粘著磨損，這是由于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)偶件與試樣的接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后滑動(dòng)中粘著處被破壞而形成。

2.5 熱疲勞性能

熱疲勞試驗(yàn)中，裂紋萌生周次分別是：油冷639周次、氣冷492周次，爐冷365周次。熱疲勞試驗(yàn)1 500周次后，試樣表面的熱疲勞裂紋如圖7所示，由圖7（a）可以看出，油冷試樣的疲勞裂紋細(xì)小且均勻；由圖7（b）可以看出，氣冷試樣的疲勞裂紋比油冷試樣粗大，裂紋交織的區(qū)域大小相差大，有少部分表面發(fā)生脫落；由圖6（c）可以看出，爐冷試樣的疲勞裂紋比氣冷試樣更粗大，存在明顯主裂紋，主裂紋兩邊垂直分布次裂紋，表面脫落的面積比氣冷試樣大。由以上分析可知，抗熱疲勞性能最好的是油冷試樣，其次是氣冷試樣，爐冷試樣最差。

圖7 熱疲勞裂紋形貌

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）油冷試樣和氣冷試樣的顯微組織均為回火屈氏體+回火馬氏體，爐冷試樣顯微組織為馬氏體+屈氏體。

（2）油冷試樣具有最好沖擊韌性，沖擊韌性為15.1 J/cm2，是氣冷試樣的1.27倍，是爐冷試樣的2.22倍。

（3）油冷試樣具有最優(yōu)的抗拉強(qiáng)度及延伸率，抗拉強(qiáng)度為1 726.1 MPa，延伸率為10.8%。

（4）在相同的磨損條件下，油冷、氣冷和爐冷試樣的磨損量分別為14.8、19.4、31.6 mg，油冷試樣具有最優(yōu)的耐磨性。

（5）在相同的熱疲勞試驗(yàn)條件下，油冷試驗(yàn)具有最大的裂紋萌生周次，為639周次，氣冷和爐冷試樣裂紋萌生周次分別為492周次和365周次。