H13钢是一种广泛应用于世界各地的热作模具钢直接影响模具的使用寿命H13钢材质量的重要因素是带状偏析和偏析带中的大质量的重要因素H13钢中常见的缺陷
模具钢,图源网络
北美压铸协会专门制定H13退火组织评级图(NADCA207-2003)作为评价H13钢退火质量标准退火组织中的严重带状偏析将继承回火,严重影响钢的力学性能。因此,研究带状偏析的形成和转化规律,以改进H13然后提高了钢的质量H13钢的寿命具有重要意义
作者系统研究H13带状偏析在钢热处理过程中的偏析的形成和演变规律,提出减少带状偏析的工艺措施,指导工业生产
1 试验材料及方法试验钢采用非真空感应炉初炼 电渣重熔,钢锭重量约75kg,经1160~1180℃加热锻造成70mm圆棒,平均锻造比约为4?锻造成品冷却后,880℃×2h~760℃×4h等温退火试验钢的化学成分如表1所示
金相样品用4%硝酸酒精腐蚀,用光学显微镜和发射扫描电子显微镜和能谱分析仪观察和分析圆棒心的显微组织碳化物的类型、形状、尺寸和成分;显微硬度计用于测量显微硬度
2 试验结果及分析2.1铸造组织向退火组织的转换
1.组织中可以看到大量合金碳化物富集的偏析带和偏析带之间存在的共晶碳化物[图1(b)]?
( a ) 50 倍金照片;( b
图1. H13钢的铸态组织
在凝固过程中,碳和合金元素含量较低,形成枝晶臂[图1(b)中灰白色区域1(b)由于金属元素的丰富,当液体过饱和时,第二相粒子会沉淀出来。这些第二相粒子聚集在分支晶体之间,成为凝固过程中的微观偏析来源。在最终凝固的中心区域,碳和金属元素(主要是钒)会形成不平衡的亚稳定共晶碳化物,主要是MC共晶碳化物呈白亮条状1(b)?所以,H13钢铸态组织中的大量金属元素是后续组织中带状偏析的直接原因
( a ) 横向;( b )
图3. H13 退火金相组织
图3显示了试验钢经等温退火处理后的水平纵向组织。消除热锻拔长和等温退火H13钢的带状偏析效果不明显吗?钢锭热加工锻造过程中,原铸造组织枝晶偏析沿变形方向拉长,逐渐与变形方向一致。枝晶偏析仍保留在一定程度上,形成碳和金属元素的贫化带[图3(b)富化带[图片3(b)中“深色区域”]彼此交替堆叠的形貌?两偏析带分别对应原铸态组织中的枝晶臂和枝晶间?
偏析导致碳和金属元素的贫化带富化带固相变化温度不同。在等温球化退火过程中,碳化物渐减少表面Oswald成熟的形式从小颗粒迁移到大颗粒,最终形成大碳化物和小碳化物交替排列在铁素体上的形状锻造,但不能完全消除碳化物,碳化物分布在二次碳化物密集区(图6)
图6. 退火组织中的共晶碳化物
2.2淬火处理后带状偏析的转化
图7为H13经过1030℃淬火组织的带状偏析遗传于淬火组织
(a) 横向;(b) 纵向 ?
图7. H13 淬火金相组织
由于马氏体相变是一种无扩散性转变,淬火后金属元素分布不均匀保留1030℃在奥氏体化过程中,退火组织(Cr,Fe)7C3?M6C等相完全溶解成奥氏体,部分MC相(包括颗粒和共晶碳化物)淬火后残留,因为溶点较高。MC碳化物分布不均匀的结果是残留物MC碳化物集中分布的区域在高温淬火后仍保持较高水平
这是因为细碳化物颗粒对晶界的钉扎作用和金属元素的丰富降低了碳原子的扩散速度,从而抑制了晶粒的生长?1100℃高温淬火热处理仍然不能消除组织中的粗大共晶碳化物,导致这些碳化物保留H13钢的最终回火状态(图12)
( a ) 深色区域;( b )
图12. H13回火组织
回火组织中仍存在带状差异,这是淬火后带状偏析的组织遗传。但高温回火后,隐针和针状马氏体区域不明显,组织为回火马氏体和小碳化物
金属元素的不均匀分布直接导致回火转变过程中组织转变差异,回火组织的不均匀性影响H13钢的最终力学性能最终获得H13横向纵向成品V缺口冲击试样冲击功分别为6.1和13.4J,等向性仅为0.46?可以看出,带状组织在传统的热处理后,只有较低的机械性能,特别是微硬度较高的带状偏析区,由于共晶碳化物的集中分布较大,材料在外力作用下容易产生应力集中,是组织中较弱的区域
3 讨论一般来说,在相同的冶炼条件下,随着尺寸的增加,钢锭心脏的力学性能有下降的趋势,即所谓的尺寸效应工业应用的大型模具钢受带状偏析的影响更严重。
模具的使用寿命与钢的冲击韧性密切相关。Corwyn测试了532个不同退火带状偏析级别的模块。研究发现,退火组织的优缺点与冲击韧性有一定的关系?如果退火组织中有严重的碳化物偏析带,则偏析带中有大量的液析共晶碳化物,该缺陷将保持回火,对钢的冲击韧性有很大的影响?带状偏析不仅影响钢的冲击韧性,而且影响一系列重要性能,如抗拉强度,从而降低钢的等向性?
如上述常规热处理(退火)-淬火-回火)不能显著改善元素的不均匀分布,也不能消除带状偏析。虽然锻造或轧制可以减少带状偏析带宽,但仍不能从根本上消除偏析?因此,退火前原组织的均匀性对钢的质量有重要影响,控制退火前组织的均匀性对均匀退火组织具有重要意义
长期高温扩散退火不仅可以改善元素的不均匀分布,还可以溶解偏析带中的大型共晶碳化物,减小其尺寸,减少一次共晶碳化物对钢材力学性能的影响。高温扩散温度和时间的选择应考虑以下两个方面:
1)尽量提高扩散温度,增加扩散时间,尽量减少金属元素的偏析指数,但应考虑高温和长期扩散引起的脱碳和晶粒的异常生长
2)有文献报道称,在高温扩散后,采用特殊的细化方法恢复生长的晶粒,并采用这工艺进行改进H13提高退火组织的均匀性H13综合性能,笔者将采用类似的工艺H13横向纵向冲击功(V分别提高型缺口10.2和14.2J,等向性达到0.72,但仍需进一步的试验研究来改进H13横向冲击韧性达到世界先进水平
4 结论1)H13钢铸分支晶体组织存在严重的成分分析,热变形后沿锻造方向分布,导致退火组织带状碳化物分析,表现为碳化物尺寸分布和密度差异,带状分析的本质是金属元素的成分分析
2)H13钢退火带状偏析将继承到淬火和回火。偏析带之间的组织转变存在差异,组织不均匀性的影响H13钢的综合性能
3)常规热处理不能消除退火组织中偏析带中的大型液析共晶碳化物。这些碳化物保持在钢的回火状态H13钢的冲击韧性影响很大
4)控制良好的退火组织可以制造出高品质H13热模钢热模钢
文献来源:周健(钢铁研究院),H13研究了钢带偏析的演化规律,内容被删除
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