模具鋼材H13高溫擴散和超細化處理
模具鋼材H13(4Cr5MoSiV1)以其高的淬透性、淬硬性、強韌性和熱疲勞抗力在國內外得到廣泛的應用，用于制作熱擠壓模、鋁合金壓鑄模、熱鍛模、塑料模等，是目前世界范圍內使用最廣泛的熱作模具鋼之一。本試驗用高溫擴散和超細化處理，通過細化組織、消除或減輕共晶碳化物、改善帶狀偏析等來提高模具鋼材H13心部等向性能。
㈠試驗材料
試驗材料為非真空感應爐(2 t)冶煉+電渣重熔(ESR)生產的H13鋼錠，鋼錠頭部直徑135 mm，尾部直徑150mm，總長度450mm。化學成分如表1所示。選取2支鋼錠進行試驗，其中A鋼錠經1160℃加熱鍛造成Φ70mm后，880～760℃等溫退火；B鋼錠經高溫擴散處理，然后經1160℃加熱鍛造成研Φ70mm試樣，超細化處理后880~760℃等溫退火。由于A、B鋼錠的化學成分基本相同，故對以后的試驗及試驗結果的影響可以不予考慮。
㈡試驗結果分析
⒈共晶碳化物的溶解
模具鋼材H13在鑄造過程中碳及合金元素嚴重偏析，鋼錠凝固后期出現共晶碳化物，共晶碳化物一旦形成大塊狀，并排列成鏈或堆集成帶和網狀，會促使模具早期失效。因此消除共晶碳化物對提高模具鋼材H13的質量十分重要，可以通過高溫長時間擴散處理加以改善或消除。
由掃描電鏡分析可知，非高溫擴散-超細化的H13模具鋼材退火態中主要存在大塊狀和長條狀分布的富釩共晶碳化物，可能是M(V)C型，VC的溶解溫度是1100～1150℃，在晶界聚集析出，鉬和鉻的碳化物基本溶解。本試驗淬火溫度在1000～1050℃，對于非高溫擴散-超細化的H13鋼，淬、回火后小顆粒的VC部分溶解，而大顆粒未溶解的碳化物鑲嵌在基體之中。這些未溶解碳化物硬而脆，破壞了材料基體的連續性，降低了HI3鋼的塑性和韌性。而經高溫擴散處理和超細化處理的H13鋼材，鉬和鉻的碳化物完全溶解，均勻細小分布在基體中。退火態中小顆粒M(V)C完全溶解，大塊狀M(V)C共晶碳化物部分溶解，在后工序處理中細小彌散析出，提高了H13鋼材的塑性和韌性。
⒉模具鋼材H13的退火組織分析
鋼錠冷卻時，首先沿液相線結晶的高純度的初晶周邊形成樹枝狀結晶，在凝固界面上，元素成分濃縮的鋼液在樹枝間隙形成樹枝狀偏析。鑄態H13模具鋼材直接進行鍛造后樹枝狀偏析延伸形成帶狀偏析，帶狀偏析是影響H13鋼材橫向沖擊韌性值的主要因素，帶狀偏析越嚴重，橫向沖擊韌性值越低，橫縱向沖擊功之比越小，等向性越差。白色區域基體由于碳及合金元素含量較高，難于侵蝕，故成白色；黑色區域，碳化物稀少，碳及合金元素含量較低，組織較粗，易被侵蝕，這樣就形成了黑白相間的偏析帶，造成了力學性能尤其是塑性和韌性的降低。而經過高溫擴散處理和超細化處理的H13鋼材，帶狀偏析雖然沒有完全消除，但明顯得以改善。
退火態組織為由碳化物球化而獲得的粒狀珠光體，碳化物呈粒狀分布在鐵素體中。與片狀珠光體比較，粒狀珠光體的硬度較低，硬度均<235HB，其周圍的應力場為球形對稱，對基體的損害較小，因而含粒狀珠光體的組織比含片狀珠光體的組織具有較優越的拉伸性能特別是均勻塑性 。非高溫擴散一超細化的H13鋼材珠光體顆粒粗大，不夠均勻，力學性能偏低；而經過高溫擴散處理和超細化處理的H13鋼材粒狀珠光體均勻細小的分布在鐵素體基體中，力學性能明顯提高。
⒊模具鋼材H13的淬、回火組織分析
由淬、回火態橫向金相組織可以看出，非高溫擴散-超細化的H13鋼材淬、回火態組織分布不均勻，存在共晶碳化物和成分偏析；而經過高溫擴散和超細化處理的H13鋼材淬、回火組織均勻細小，共晶碳化物基本溶解，成分偏析明顯改善。
⒋試樣沖擊、拉伸試驗分析
從模具鋼材H13退火及淬、回火態沖擊和拉伸性能試驗的數據可以看出，退火態非高溫擴散-超細化的H13鋼橫向沖擊功較經高溫擴散和超細化處理的H13鋼稍低，但非高溫擴散-超細化的H13鋼縱向沖擊功高于經高溫擴散和超細化處理的H13鋼，可能由于帶狀偏析引起。淬、回火態經高溫擴散和超細化處理的H13鋼的橫向沖擊功明顯高于非高溫擴散 超細化的H13鋼，經高溫擴散和超細化處理的H13鋼縱向沖擊功稍高于非高溫擴散一超細化的H13鋼。非高溫擴散一超細化的H13鋼退火態心部沖擊韌性橫縱比僅為47.69％，而經過高溫擴散和超細化處理的H13鋼退火態心部沖擊韌性橫縱比為65.85％，較非高溫擴散一超細化的H13鋼提高38.08％；非高溫擴散一超細化的H13鋼淬、回火態心部沖擊韌性橫縱比僅為26.90％，而經過高溫擴散和超細化處理的H13鋼淬、回火態心部沖擊韌性橫縱比為55.00％，較非高溫擴散一超細化的H13鋼提高104.46％；可見高溫擴散和超細化處理后組織均勻性的改善和夾雜物形態的變化對提高H13鋼材的等向性，特別是橫向沖擊韌性起到了關鍵性的作用。H13鋼退火態及淬、回火態的拉伸性能可以看出，經高溫擴散和超細化處理的H13鋼的斷后伸長率最高可達28.6％，斷面收縮率高達67.0％，塑性指標提高，但是提高很少，其原因尚待深入分析研究。
㈢綜述
測試和分析結果表明：非高溫擴散-超細化的模具鋼材H13(4Cr5MoSiV1)鋼材存在大塊狀的共晶碳化物，帶狀偏析嚴重，鋼的橫向沖擊韌性較差；而經過合理的高溫擴散和超細化處理的H13鋼材，小顆粒共晶碳化物基本消失，大顆粒共晶碳化物部分溶解；帶狀偏析和組織均勻性明顯改善，并且鋼材中的碳化物細小、均勻；鋼材的橫向沖擊韌性明顯提高。
資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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