H13锻后热处理工艺改进

文/游娜,李建辉,梁鹏·中钢集团邢台机械轧辊有限公司

H13锻后热处理工艺改进

文/游娜,李建辉,梁鹏·中钢集团邢台机械轧辊有限公司

游娜:锻压技术科副科长，工程师，主要从事大型铸锻件产品锻造及锻后热处理工艺编制研究工作。

H13模具钢在锻后经过球化退火热处理后，检测出现网状碳化物，为消除网状碳化物，选择不同的正火温度及时间进行试验，检测组织状态，进而确定合适的正火温度及时间。将锻后热处理工艺改为正火+球化退火，改善产品的组织和性能。

热作模具钢工作时承受较大的冲击力，型腔与热金属接触，且反复受冷受热，工作环境比较恶劣,对材料性能的要求较高。除具有较高的强度、韧性、耐磨性，还要求具有高的淬透性、回火稳定性及抗疲劳能力。H13含有大量的Cr、Mo、V等元素，满足热作模具钢的性能要求，常用作热挤压模、铝合金的压铸模和塑料模，使用温度≤600℃，还可以用作冷挤凹模，冷挤钢管环形模、顶件等，是冷热兼做的模具材料。因此H13大量应用于模具制造中。

H13模具钢作为公司主要生产的模具钢产品，其经过电渣-加热-锻造-锻后热处理后交货，硬度要求≤229HB，组织按照SEP 1614标准评级合格后验收。

H13模具钢锻造完后空冷，采用等温球化退火工艺，在860～880℃+740～760℃退火后，获得点球状珠光体组织，硬度≤229HB，组织在检测中出现严重的网状碳化物，不能满足SEP 1614的要求。为此需要结合生产过程，分析网状碳化物的成因，摸索合理的锻后热处理工艺。

生产过程分析

H13模块锻造结束后，终锻温度在850℃左右，空冷至一定温度后装炉，由于模块的宽度在1000～1200mm之间，冷却速度不足，造成碳化物在晶界析出，随着时间的增长，碳化物沿晶界的形状形成断续的线，逐渐在晶界连成网，形成网状组织。网状组织形成后，经过等温球化退火，网状碳化物不能溶解，在炉冷后依然存在。

网状组织的存在，会使模具在淬火时开裂，使得脆性加大，承受冲击载荷时出现脆裂。锻件出现网状组织一般采用正火来消除。对于一些有大块碳化物或网状碳化物的钢，可以先加热到Ac3(Accm)以上10～50℃，使其碳化物全部溶解，然后快冷到较低温度，再加热到低于A1的温度保温使其球化。为消除网状碳化物，必须选择合适的正火温度及保温时间。

试验方案及检测结果

针对这批模块取样后采用不同正火温度及保温时间进行试验。通过膨胀仪测定H13材料的Accm点为922℃，为此选定930℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃的正火温度；因为试样大小为20mm×20mm×20mm，保温时间考虑选择分别保温40分钟、80分钟。保温后空冷，300℃低温回火保温2小时后，检测组织及碳化物级别。

原始组织状态

图1所示为原始组织状态，从500×金相照片中可以看出，H13模块组织为珠光体+大量网状碳化物，按照SEP 1614评级为GE3，达不到使用要求。

图1 原始组织状态

图2 保温40分钟后的金相图片

表1 不同正火温度后组织

正火后试验结果

首先选取6个试样在各个温度下保温40分钟回火后检测，如图2所示。

从图2中可以看出，在930～1000℃保温40分钟后，网状碳化物并未消除，只有在1020℃、1040℃保温40分钟后才能消除。组织检测如表1所示。从延长保温时间考虑，再次选取试样在各个温度保温80分钟后检测，在930～1000℃保温80分钟后的试样上仍可以看到晶界上的二次碳化物，碳化物呈网状，图3所示为1000℃保温80分钟后电镜图片。

可见，加热到1000℃以下的温度，即使延长保温时间也不能使网状碳化物全部溶解，因此选取930～1000℃的正火温度是不合适的，1000℃以上的正火温度才可以完全消除网状碳化物。从节能角度来看，温度越高时间越长，工艺成本也越高；同时温度越高，晶粒长大的趋势也越明显，组织也愈粗大，对后期性能的影响也愈严重。正火的目的也是为了细化晶粒，为此从晶粒度方面对1020℃、1040℃分别保温40分钟和80分钟后，检测晶粒度级别，结果如图4所示。

1040℃保温40分钟后晶粒度3.5级，保温80分钟后晶粒度3级，虽然没有网状碳化物，但晶粒粗大，没有起到正火作用，温度越高，效果并不太理想；1020℃保温40分钟后晶粒度6.5级，保温80分钟后获得晶粒度6级。从时间及组织来看，1020℃保温40分钟既消除了网状碳化物又细化了晶粒，是最合理的工艺。

锻后热处理工艺的改进

从以上试验可以看出在1020℃保温可以消除网状碳化物，结合产品形状特点，若锻后空冷冷却能力不足，有很大可能出现网状碳化物。为消除网状碳化物，保证产品的性能，将锻后的等温球化退火改为正火+等温球化退火。正火后为加速冷却，采取特殊冷却手段，加快冷却速度，球化退火后得到均匀的点球状珠光体组织，硬度≤229HB。

图3 1000℃保温80分钟后电镜图片

图4 不同正火温度及时间下的晶粒度

结论

通过对H13正火温度的工艺试验，确定在1020℃以上的某一温度为最终正火温度，将球化退火工艺改为正火+球化退火的锻后热处理工艺，有效的改善了产品的组织和性能，为进一步加快市场开发奠定了良好的基础。