热处理对喷射成形H13钢组织性能的影响

谢敬佩，曹飞杨，王淼辉，刘恒三

(1.河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023;2.机械科学研究总院 先进制造技术研究中心,北京100083)



热处理对喷射成形H13钢组织性能的影响

谢敬佩1，曹飞杨1，王淼辉2，刘恒三2

(1.河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023;2.机械科学研究总院 先进制造技术研究中心,北京100083)

摘要：通过硬度试验、拉伸试验、冲击试验、光学显微镜以及扫描电镜分析，对喷射成形H13钢经热处理的组织与性能的变化进行了研究，并与传统铸造H13钢的组织和性能进行了对比。研究结果表明：喷射成形H13钢晶粒细小，消除了元素偏析，热处理后碳化物弥散分布于晶界和马氏体边界；而传统铸造H13钢晶粒粗大，存在大量粗大的一次碳化物，恶化了材料性能。

关键词：喷射成形；H13钢；热处理；组织性能

0引言

由于H13热作模具钢具有较高的淬透性、较好的高温强度以及良好的综合力学性能，因此成为铝合金压铸模的首选模具钢，并且广泛应用于热锻模和热挤压模。传统铸造工艺生产的H13钢组织中会存在带状偏析，经过锻造仍不能有效消除。元素偏析造成的组织不均匀能够降低H13钢的力学性能，导致模具出现早期失效现象，减少模具寿命[1-4]。

喷射成形工艺是一种把液态金属通过雾化、沉积，直接得到近终形产品的技术。由于雾化、沉积过程冷速快，具有快速凝固的特点，如晶粒细小、组织均匀和无宏观偏析等[5-7]。文献[8]研究了喷射成形H13钢的显微组织和过喷粉末对组织的影响，发现喷射成形H13钢的组织为细小的等轴晶，几乎没有碳化物，且随着过喷粉末尺寸的减小，一次枝晶也逐渐减小。但是文献[8]并没有系统地研究热处理对喷射成形H13钢组织变化以及性能的影响。本文分析了喷射成形H13钢经过不同温度热处理后的组织演变和力学性能，并与传统铸造H13钢进行了对比，验证了喷射成形工艺的优越性。

1试验材料及方案

1.1试验材料

感应熔化的H13钢液流通过中间包进行雾化，被高压氮气加速后沉积在基板上，逐层累积成铸锭。由于喷射成形的沉积坯存在一定的孔隙，因此对其进行锻造加工，得到更加致密的H13热作模具钢，其化学成分见表1。喷射成形工艺参数和锻造工艺参数见表2。

表1　喷射成形H13钢的化学成分　%

表2　喷射成形工艺参数和锻造工艺参数

1.2试验方案

对锻造后的喷射成形H13钢分别在980 ℃、1 000 ℃、1 020 ℃、1 050 ℃、1 080 ℃和1 100 ℃淬火，保温30 min，淬火介质为油。回火温度分别为300 ℃、400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃和700 ℃，保温2 h，回火2次。

1.2.1力学性能测试

室温硬度测定采用HRS-150D型硬度计，每个试样测6个点，取平均值。室温拉伸试验在WDW-200D型万能试验机上进行，取3个试样，按GB/T 228—2002[9]进行测试。试样尺寸为：截面直径d0=5 mm，夹持长度L0=25 mm，总长90 mm。室温冲击试验采用V型缺口试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，过渡弧半径R=0.25 mm，摆锤能量30 J。

1.2.2显微组织观察

试样经研磨、抛光和腐蚀后，进行组织分析，腐蚀剂采用三氯化铁溶液。显微组织分析在OLYMPUS PMG3型光学显微镜和JSM-5610LV型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)上进行。

2结果与讨论

2.1组织分析

图1为喷射成形H13钢在不同淬火温度下的显微组织，经不同温度淬火后的组织主要为马氏体、少量残余奥氏体和一些未溶碳化物。退火态喷射成形H13钢中碳化物类型主要为含Cr的碳化物M23C6、含Mo的碳化物M6C和含V的MC型碳化物。

图1　喷射成形H13钢在不同淬火温度下的显微组织

淬火温度为980 ℃时(见图1a)，由于奥氏体化温度较低，合金碳化物溶入基体较少，因此，淬火组织中存在大量的铁素体。淬火温度为1 020 ℃时，仍有部分短棒状碳化物存在。随着淬火温度进一步升高，合金碳化物逐步溶入奥氏体，增加了材料的淬透性，淬火后组织为细针状马氏体。淬火温度为1 050～1 070 ℃时，M23C6型碳化物达到最大溶解度，而M6C和MC型碳化物熔点较高，要使其完全溶解需要更高的淬火温度[10]。

由于喷射成形H13钢在淬火温度为1 050 ℃时，合金元素能够充分固溶，试样硬度适中，开裂较少，同时奥氏体晶粒没有明显长大[11]，因此，选择在1 050 ℃淬火后对试样进行不同温度回火，回火后的组织照片见图2。H13钢的回火实质上是合金元素碳化物从过饱和α固溶体中脱溶析出的过程，淬火马氏体析出ε碳化物而成为回火马氏体，同时残留奥氏体将分解转变为马氏体或者回火马氏体。500 ℃回火后的组织为回火马氏体，这是由于在回火初期，Cr、Mo、V和Si等合金元素可以抑制碳原子偏聚、抑制马氏体和残余奥氏体分解[12-13]。随着回火温度的升高，在马氏体基体内部和晶界处碳化物析出逐渐增加。在回火温度为600 ℃时，回火组织开始向回火索氏体过渡，铁素体相开始缓慢恢复，部分马氏体板条开始合并。由于回火索氏体是粒状渗碳体和等轴铁素体所构成的复相组织，与马氏体相比，其硬度较低。

图2　喷射成形H13钢经不同温度回火后的组织照片

2.2力学性能

图3a为喷射成形H13钢和传统铸造H13钢在不同温度淬火后的回火硬度。由图3a可知：随着淬火温度的升高，试样硬度也逐渐增大。这是因为基体中溶入了更多的合金元素，增大了材料的淬透性，但是淬火温度太高又会增加晶粒长大的风险。喷射成形H13钢低温回火时硬度基本没有变化，回火温度为600 ℃时，硬度降低明显，980 ℃、1 000 ℃和1 050 ℃淬火试样的硬度分别降低至42.9HRC、41.9HRC和48.8HRC，这与马氏体的回复和碳化物聚集长大有关[14]。图3b为喷射成形H13钢和传统铸造H13钢试样在1 050 ℃淬火后的回火硬度。由图3b可知：随着回火温度的升高，两种H13钢硬度均下降，650 ℃回火时，由于喷射成形H13钢的晶粒细小，回复进程较传统铸造H13钢稍快，因此硬度比传统铸造H13钢略低。

喷射成形H13钢经1 050 ℃淬火后，分别在500 ℃、550 ℃、600 ℃和650 ℃进行回火处理，拉伸试验结果见表3。由表3可看出：随着回火温度的升高，试样的抗拉强度逐渐降低，而伸长率逐渐增加，即回火温度越高，试样强度越低，塑性越好。500 ℃回火时，抗拉强度最高为2 361 MPa，伸长率只有8.0%。550 ℃回火时，试样的伸长率在10%以上，但是硬度在55HRC左右，而H13钢工作时硬度在47HRC左右最为合适[15-16]。650 ℃回火时，抗拉强度只有1 088 MPa，伸长率达到了23.6%。在600 ℃回火时，喷射成形H13钢的抗拉强度为1 610 MPa，伸长率为13.7%，同时硬度也能满足工作条件，得到最优的强韧比，获得优良的综合力学性能。

图3　两种H13钢在不同温度淬火后的回火硬度

回火温度/℃500550600650抗拉强度/MPa2361205716101088伸长率/%8.011.313.723.6

对拉伸断口进行扫描电子显微镜观察，结果见图4。由图4可看出：500 ℃回火时，断口呈明显的解理断裂。550 ℃回火时，断口已经出现了韧窝。650 ℃回火时，断口韧窝更加细小。说明随着回火温度的升高，喷射成形H13钢的韧性不断提高。

图4　喷射成形H13钢不同回火温度拉伸断口SEM图片

图5为1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后，喷射成形H13钢和传统铸造H13钢的显微组织照片。在600 ℃回火时，喷射成形H13钢晶粒均匀细小，为8～10 μm，而传统铸造H13钢晶粒较粗大；同时传统铸造H13钢的碳化物已经聚集长大，并开始球化，而α相已经失去马氏体板条形态，发生明显回复，因此，硬度略低于喷射成形H13钢。喷射成形H13钢在600 ℃回火时，α相仍保持板条特征，这是由于细小弥散的碳化物和基体中的位错相互作用的结果。

图5　1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后两种H13钢的显微组织照片

表4为传统铸造H13钢与喷射成形H13钢的室温力学性能结果。由表4可知：试样经1 050 ℃淬火、600 ℃二次回火后，喷射成形H13钢的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率以及冲击韧性都高于铸造H13钢。 喷射成形H13钢由于其快速凝固的特点，组织中几乎没有一次碳化物，并且消除了元素偏析，组织均匀细小。热处理后碳化物弥散分布于晶界和马氏体界面，对位错产生钉扎作用，强化了材料性能。传统铸造H13钢由于存在粗大碳化物和偏析，组织不够均匀，晶粒粗大，导致材料的性能不好。热处理后的回复软化造成材料硬度降低。总体来看，喷射成形H13钢的性能优于传统铸造H13钢。

表4　传统铸造H13钢与喷射成形H13钢的室温力学性能

3结论

(1)喷射成形H13钢经淬火回火处理后，组织为回火马氏体+碳化物，600 ℃回火时组织开始发生回复，马氏体板条逐渐分解，碳化物逐渐长大。

(2)随着淬火温度的升高，喷射成形H13钢的硬度变大。回火处理后，喷射成形H13钢的抗拉强度随着回火温度的升高而降低，韧性随着回火温度的升高而增加。1 050 ℃淬火、600 ℃回火时，喷射成形H13钢不仅具有最佳的强韧比，同时硬度在47HRC左右，均满足H13钢工作环境要求。

(3)由于喷射成形H13钢晶粒细小，组织均匀，热处理后碳化物颗粒细小弥散分布，对材料起到了强化作用，而铸造H13钢晶粒粗大，存在大量粗大的一次碳化物，热处理后难以消除，因此，喷射成形H13钢的性能优于铸造H13钢。

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基金项目：国家“973”计划基金项目(2012CB025906)

作者简介：谢敬佩(1957-),男,河南安阳人,教授,博士,博士生导师,主要从事高性能复合材料设计与加工等方面的研究.

收稿日期：2016-01-12

文章编号：1672-6871(2016)05-0001-06

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.001

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A