H13 熱作模具鋼球化退火組織評級方法的研究及應用

尹志強

（河鋼宣鋼技術中心，河北 張家口 075100）

0 引言

H13 最初是美國的熱作模具鋼牌號，在中國的牌號為4Cr5MoSiV1，是一種空冷硬化型熱作模具鋼和中耐熱韌性熱作模具鋼。因其具有強韌兼具的特點而被國際上廣泛使用，在一定強度下，高的沖擊韌性有利于提高模具熱疲勞抗性，阻止裂紋擴展從而提高模具使用壽命，雖然影響H13 熱作模具鋼沖擊韌性的因素較多，但退火組織級別是其中最重要的原因之一，因此獲得良好的退火組織是提高H13 產品質量的關鍵[1-2]。

目前市場上H13 熱作模具鋼球化退火組織級別評定是以《NADCA 207—2003》北美壓鑄協會標準圖譜為依據，采用對比法進行退火組織級別評定。然而該標準圖譜中圖片像素不清晰，級別評定標準不統一，人為誤差因素較高，且標準對于相應級別沒有詳細的說明，導致H13 熱作模具鋼球化退火組織級別評定工作困難，且速度無法跟上日常生產檢測的要求[3]。我們查找相關文獻資料并結合標準，進行大量的檢測試驗，通過數據分析、研究總結出H13 熱作模具鋼球化退火組織評級檢測方法，依據《NADCA 207-2003》北美壓鑄協會標準中的評級圖建立了適用于生產的H13 球化退火組織圖庫，給同行業提供了檢測依據，提高了金相檢測準確率，加快了檢測速度，提高檢測水平。

1 實驗與分析

1.1 試樣制備

退火組織試樣切取時，試樣的檢測表面為垂直于軋制方向的面即橫截面，樣塊從試件端面的寬度及厚度的中心處截取，見圖1。樣品規格（10～15）mm×（10～15）mm，樣塊1、2、3 分別位于直徑1/8、1/4、1/2位置（取完樣按取樣位置擺好、標號），1、3、4、5 面可由帶鋸取樣，其余表面由線切割取樣。取樣時注意切割速度及冷卻液的選擇，避免因塑形變形或受熱引起的顯微結構組織失真的現象。

圖1 取樣位置

1.1.1 試樣清洗

試樣表面若沾有油漬、污物、冷卻液或殘渣，可用合適溶劑（如酒精、丙酮等）清洗。任何妨礙基體腐蝕的金屬覆蓋層應在磨拋之前除去。

1.1.2 試樣研磨

試樣先用砂輪粗磨，修整為規則的試樣，將試樣上的棱角磨掉，試樣磨削時須用水冷卻試樣，防止試樣因受熱而發生組織變化。機械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不夠好，表面變形層也比較嚴重。因此經機械磨盤磨平、洗凈、吹干后的試樣需要繼續進行手工磨制。按照先粗磨再細磨，砂紙粒度由小及大的規律對樣品進行研磨。每更換一次砂紙時，試樣須旋轉90°使新一道次磨制方向與舊磨痕方向垂直，在此方向磨至舊磨痕完全消失，新磨痕均勻一致時為止。

1.1.3 拋光

拋光的目的是去除細磨后遺留在磨面上的細微磨痕，得到光亮無痕的鏡面，且無磨制缺陷。拋光時間不宜過長避免在檢測面產生應力變形膜影響組織顯示。拋光時應用力均勻不宜過小或過大，以試樣穩定落于拋光布上為宜，避免因人為因素造成試樣邊角導圓或浮凸。一般拋光到試樣的磨痕完全除去，表面呈光亮無痕的鏡面為止。拋光后用水清洗干凈檢測面，再用無水乙醇洗凈吹干，檢測面表面不應有水跡或污物殘留。

1.1.4 浸蝕

H13 退火組織試樣浸蝕時，一般采用化學侵蝕法，利用浸蝕劑對試樣的化學溶解作用將組織顯露出來。將拋光后的檢測面向下浸入5%的硝酸酒精中，輕輕晃動試樣，使試樣與5%的硝酸酒精侵蝕劑充分接觸，侵蝕時間為10～15 s，光亮的檢測面被浸蝕得逐漸失去光澤略顯灰暗時即刻取出，用流動的清水徹底沖洗后將檢測面浸入酒精，再用濾紙吸去過多的水和酒精，迅速用吹風機吹干，完成整個制備試樣的過程。

試樣浸蝕程度也對檢測準確度有很重要的影響，浸蝕時間不夠，碳化物組織沒有全部顯示出來。浸蝕時間過長碳化物過度腐蝕，觀測面過黑不便于檢測碳化物分布形態。

1.2 球化退火組織檢測

侵蝕后的試樣先在金相顯微鏡下使用低倍目鏡（50×）觀察試樣退火組織顯微結構宏觀特征，然后根據檢測目的逐級放大，最終在500 倍下觀測退火顯微組織結構并進行評級。在退火組織級別評定時以目鏡內觀測到的組織顯微結構特征與標準圖譜進行對比，找到特征規律進行評級。

用LEICA DMI5000M 型金相顯微鏡放大到500倍，觀察其球化退火后顯微結構組織。部分試樣存在顯微結構組織缺陷——滲碳體沿晶界成鏈狀析出。

2 確立評級原則、建立圖庫

通過大量的H13 熱作模具鋼的球化退火顯微組織結構檢測數據，理論結合實際，對熱作模具鋼H13球化退火組織的評級依據進行總結，做出以下評級原則（見表1）。經鋼研院專家確認，此評級原則準確可靠，可以投入進行使用。

表1 H13 球化退火組織的評級原則

根據《NADCA 207—2003》球化退火組織標準評級圖（500×）及以上總結的評級原則，對H13 熱作模具鋼球化退火后金相顯微組織進行評級，同時在生產實踐過程中總結并歸類相應圖片建立了適用于生產的H13 熱作模具鋼產品退火組織圖庫，縮略圖見圖2（注：由于目前特材公司生產的H13 熱作模具鋼暫未發現AS11-AS18 級別的不合格組織，在此后如若發現相應組織形態將會繼續補充至本圖庫中）。

圖2 H13 熱作模具鋼產品退火組織圖庫縮略圖

3 實施效果

該項目反饋的數據指導生產，創新了H13 熱作模具鋼球化退火組織級別評定檢測方法，明確了合格組織與不合格組織的特征和定義，結合本單位實際生產情況，建立了一套適用于生產的H13 熱作模具鋼球化退火組織圖庫。提高了退火組織金相檢測準確率，加快了檢測速度，提高了檢測水平。可以更加有效、直觀的發現鋼材產品質量存在的問題，指導工藝控制，改善產品質量，達到提質增效的目的，可以推廣應用到其他規格及今后其他牌號的球化退火組織級別檢測實踐中。

4 結論

1）該檢測方法屬于國內首創，建立了詳細完善并符合H13 熱作模具鋼生產實際的球化退火組織圖庫，確定了各級別退火組織評級定義。總結出H13 熱作模具鋼球化退火可接受組織和不可接受組織評級原則，確定的H13 熱作模具鋼球化退火組織級別評定方法，填補了國內空白。

2）目前國內并沒有本評級方法的研究及確定，可以更加直觀、有效的發現鋼材產品質量存在的問題，可以更有效的輔助公司進行生產工藝控制，改善產品質量，達到提質增效的目的。制定了H13 熱作模具鋼球化退火組織標準金相檢測方法，保證檢測結果準確性。同時可以給下游客戶提供精準的數據支持，打造公司品牌形象，提高H13 熱作模具鋼市場占有率。