1、改锻对 H13 模 具钢轧 材显 微组织 和冲 击性能 的影 响刘桂彪 , 闵永安 , 吴晓 春(上海大学材 料科学与工 程学院 ,上海 )摘 要 : 对经改锻处 理的两个厂 家生产的 H13 模具钢 轧材退火态 的显微组织 、 冲 击 性 能 和 断 口形 貌进行了对 比研究 ,分析了 改 锻 对 模 具 钢 轧 材 组 织 和 性 能 的 影 响 。 结 果 表 明 : 改 锻 后 , H13B 钢 心 部的带状组 织较 H13A 钢的 粗 大 ,偏 析 程 度 更 严 重 ; 而 H13B 心 部 的 共 晶 碳 化 物 比 H13A 的 更 粗 大 ,数 量更多 ; H13 钢冲击性能
2、 从表 面 至 心 部 逐 渐 降 低 ; 长 度 、 宽 度 方 向 的 韧 性 要 好 于 厚 度 方 向 的 ; H13A 钢的长度 、 宽度方 向的断口 均 为韧性断裂 , H13B 的宽度 、 厚度 方向为脆性 断口 。关键词 : 锻造 ; 轧制 ; 带状组织 ; 共晶 碳化物中图分 类号 : T G142 . 1 文献标 志码 : A 文章编号 : (2011) Inf l uence of Forging on Microstructure an d Impact Propert iesof Rolled H13 Die SteelL IU Gui2biao , M IN Yon
3、g2an , WU Xiao2chun( School of Material s Science a nd Engineering , Shanghai U niver sit y , Sha nghai , China)Abstract : Micro st r uct ure , impact p rop ertie s and f ract ure surf ace mo rp holo gy of rolled H13 die steel s af ter a nnnealing f ro m t wo ma nuf act urer s t reated by fo r ging
4、were co mpa ratively st udied. The eff ect of fo r ging o n micro st r uct ure of t he rolled steel wa s analyzed. The re sult s sho w t hat t he H13B steel had coa r ser co re banded micro st r uct ure and severer segregatio n t ha n t he H13A steel . Mo re a nd la r ger ca r bide s were fo und in
5、t he co re of H13B steel . The imp act p ropertie s of t he H13 steel decrea sed f ro m surf ace to co re. Imp act to ughness of lengt h a nd widt h directio ns wa s bet ter t ha n t he t hickne ss directio n. H13A steel had a ductile f ract ure in lengt h a nd widt h directio ns. H13B steel sho wed
6、 brit tle f ract ure in widt h a nd t hickne ss directio ns.Key words : fo r ging ; rolling ; banded micro st r uct ure ; eut ectic ca r bide 1 250 J 以 上 ,远 超 过 北 美 标 准 的 要 求 ,其 优 良 的 性能可以 满足大部分 企 业 的 生 产 需 要 ,但 锻 造 模 块 的 成本高 、 生产 周期长且工 艺复杂 ,对模具质 量要求不 是很高 的企业 并 不 适 用 。 为 降 低 生 产 成 本 ,国 内 很多企业 采用 经 轧
7、 制 后 改 锻 处 理 的 H13 模 具 钢 。 但 有关此 类 供 应 态 钢 的 组 织 与 冲 击 性 能 的 报 道 并 不 多 。 为 此 ,作 者对 比 研 究 了 经 改 锻 处 理 的 两 个 厂 家 生产的 H13 模具钢 的显微组 织 和 冲 击 性 能 ,并 分 析 了改锻 处理对 H13 模具钢轧材 组织和性能 的影响 。引 言0H13 模具 钢 以 其 高 的 淬 透 性 、 淬 硬 性 、 强 韧 性和抗冷 热疲劳性能 等在国内 外得到广泛 的应用 。 自20 世纪 70 年代 从 国 外 引 进 该 钢 种 以 来 , H13 钢 已 逐步取 代 3Cr2 W
8、8V 钢 , 主 要 用 于 制 造 铝 合 金 压 铸 模及其 他热作模具 。 目前 ,国内 供 货 态 的 H13 热 作 模具钢 主要有经锻 造处理的 和经轧制后 改锻处理的 两种 ,其中经 锻造的模 块具有较好 的综合力学 性能 。 按北美 标 准 N ADCA207 - 90 , 优 质 H13 钢 锻 造 模 块的心 部横向冲击 功应 达 到 170 J 以 上 。 而 国 内 生 产的优 质 H13 钢 锻 造 模 块 心 部 横 向 冲 击 功 可 达 到 1 试样制 备与试 验方法试 验材料为 A 模 具 钢 厂 和 B 模 具 钢 厂 生 产 的 130 mm H13 模
9、具 钢 轧 材 , 记 为 H13A 和 H13B ,两者 的 化 学 成 分 见 表 1 。 取 300 mm 长 的 坯 料 , 经常规 二 镦 二 拔 工 艺 改 锻 成 208 mm 188 mm 1 1 0 mm的 模 块 , 并 在 SX221 型 箱 式 电 阻 炉 中 进 行43 收稿 日期 : ;修订日 期 : 基金 项目 :国家 科技 支撑 计划资 助项 目 ( 2007BA E51B04) 作者 简介 :刘桂 彪 ( 1984 - ) ,男 ,山东 临沂 人 ,硕 士研 究生 。 导师 :闵 永安教 授刘桂彪 ,等 :改锻对 H13 模具钢 轧材显微组 织和冲击性 能的影
10、响表 1 试验 用钢的化 学成分 ( 质量 分数 )Chemical composition of the tested steel ( mass) %Tab. 1编号 C Si Mn Cr Mo VH13 A 0 . 35 0 . 99 0 . 39 5 . 18 1 . 15 1 . 00H13B 0 . 35 1 . 14 0 . 31 5 . 13 1 . 34 0 . 88 860 常 规 球 化 退 火 处 理 , 退 火 后 的 H13A 、 H13B的硬度 分别为 189 ,193 HB W 。 分 别 在 不 同 状 态 模 块 心 部 和 表 面 截 取 试 样 ,经 粗磨
11、 、 抛 光 和 体 积 分数 为 4 %的 硝 酸 酒精 溶 液 腐蚀 后 , 用 正 立 式 L V150 型 光 学 显微 镜观察显微 组织 。 沿长 度 、 宽 度 、 厚 度 三 个 方 向依 次 从 表 面 到 心 部 截 取 冲 击试 样 ,每 个 方 向 取 5 个 试 样 ,按 照 NADCA 207 - 90 标 准 制 成 7 mm 10 mm 55 mm 的 无缺 口 冲 击 试 样 , 在 HZQ2966 型 真 空 淬 火 炉 中 1 020 真 空 淬 火 ,然 后600 回 火 两 次 ,每 次 2 h ,经 此 调 质 工 艺 后测得硬度 为 (45. 0 1
12、) HRC。 用 JB230 型 冲 击 试 验 机 进 行 冲 击试 验 ,对 比 三 个 方向 上 的 冲击 性 能 ;并 用 光 学 显 微 镜 观 察 冲 击 试 样 的 断 口 形 貌 和 显 微 组 织 。( a) H13 A 钢( b) H13 B 钢图 1 改 锻后 H13 钢的 心部 显微 组织Microstructure of t he core of H13 steel af ter f orging :Fig. 1( a) H13 A steel and ( b) H13 B steel试 验结果 与讨论22 . 1 显微 组 织由 图 1 可 以看出 ,经改 锻 后
13、, H13B 钢 中 心 部 的 带状组 织 比 H13A 钢 的 更 加 粗 大 , 条 带 间 距 也 更 大 。 由 图 2 可 知 , H13B 钢 的 表 面 偏 析 已 比 H13A 钢的严 重 。 H13A 和 H13B 钢心部 的 偏 析 程 度 比 表 面严重 、 带状 组织也粗 大 。由 图 3 可见 ,两种钢 经 改 锻 退 火 后 , H13B 钢 心 部的共 晶碳化物 比 H13A 钢 的 更 加 粗 大 ,且 数 量 也 多 , H13A 钢 中 没 有 大 块 状 共 晶 碳 化 物 。 另 外 , 在 H13B 钢的 晶 界 上 还 析 出 了 大 量 长 条
14、链 状 二 次 碳 化物 。由 图 4 可见 ,两 种 钢 改 锻 退 火 态 表 面 仍 存 在 大 块的液 析伪共晶碳 化物 ,但碳化物 相对细小 ,而且偏 析 也 比 心 部 试 样 的 弱 。 H13A 钢 的 表 面 组 织 比 H13B 钢的均匀 。两 种 H13 模 具 钢 组 织 差 异 的 原 因 与 冶 炼 过 程与热处 理过程有关 。 A 厂完 善的冶炼设 备与冶炼工 艺使其 钢材 的 纯 净 度 与 致 密 度 优 于 B 厂 生 产 的 钢 材 。 同 时轧制后的 热处理过 程也影响材 料的碳化物 形态 。 H13A 钢由 于 经 过 高 温 均 匀 化 处 理 ,其
15、 中 的 大 块碳 化物相对较 少 ,而 H13B 钢未 经此处理 ,其 偏析及大 块碳化物相 对更加严 重 。 由于碳 及合金元素 的 不 均 匀 分 布 ,使 H 1 3B 钢 在 热 处 理 过 程 中 碳 化 物( a) H13 A 钢( b) H13 B 钢改 锻后 H13 钢的 表面 显微 组织图 2Fig. 2 Microstructure of the surface of H13 steel af ter f orging :( a) H13 A steel and ( b) H13 B steel大量沿 晶界析出 ,而 H13A 钢 晶 界 上 几 乎 看 不 到 沿晶分布
16、 的链状碳化 物 。 这些大 块液析伪共 晶碳化物 和沿晶 析出的链状 碳化物对材 料的等向性 能与冲击 性能会产 生 不 利 的 影 响 。 H13 钢 轧 材 在 轧 制 过 程44 刘桂彪 ,等 :改锻对 H13 模具钢 轧材显微组 织和冲击性 能的影响产中改 锻处理的变 形量小 ,没有改善 材料的均匀 性 ,所以仍 保留轧材的 夹 杂 物 、 共 晶 碳 化 物 和 带 状 偏 析 等特征 。2 . 2 冲击 性 能由 表 2 可见 ,两 种 钢 在 长 度 和 宽 度 方 向 从 表 面 到心部 的冲击功均 呈 逐 渐 降 低 趋 势 。 H13B 钢 的 冲 击功在 长度方向 上
17、与 H13A 钢 的 相 差 不 大 ,但 在 厚 度和宽 度 方 向 上 远 低 于 H13A 钢 的 。 在 厚 度 方 向 上 H13A 钢的 冲 击 功 为 115 J , 而 H13B 钢 的 仅 为21 J ,远 低 于 N ADCA207 - 90 标 准 中 优 质 H13 钢 冲击功 最低为 170 J 的 要 求 。 在 宽 度 方 向 上 H13A 钢 的 冲 击 功 为 229 J , H13B 钢 的 为 73 J , 不 及 H13A 钢 厚 度 方 向 上 的 115 J 。 H13A 钢 在 厚 度 方 向上的 冲击功较差 ,而 H13B 钢 在 宽 度 和 厚
18、 度 方 向 上的冲 击功都很差 。表 2 H13 钢 在三个方 向上的冲 击功分布Tab. 2 Impact energy distribution along three directions( a) H13 A 钢( b) H13 B 钢图 3 改锻 后退 火态 H13 钢心 部 的 显微 组 织Fig. 3 Microstructure of the core of annealed H13 steel s of the H13 steels Jaf ter f orging : ( a) H13 A steel and ( b) H13 B steel 表面 心 部试样 平均值1 2
19、 3 4 5 长 度 方向 H13A H13B H13A H13BH13A30029428082140290271258701002632642207896282202230621302582141557111027924922973115宽 度 方向厚 度 方向H13B 16 24 19 24 22 21 钢 的韧性与钢 中 的 夹 杂 物 、 伪 共 晶 碳 化 物 和 带状偏析 有关 。 图 1 中 两 种 钢 皆 有 明 显 的 带 状 偏 析 ,条带越 黑说明 二 次 碳 化 物 越 多 ,偏 析 越 严 重 。 由 于 相邻条 带间的显微 结构不同 ,它们的 性能也不相 同 。 在
20、外力 作用下性能 低 的 条 带 容 易 显 露 ,而 且 强 弱 带 之间会 产生应力集 中 ,从 而 造 成 了 总 体 力 学 性 能 降 低 ,并具有 明 显 的 方 向 性 2 - 5 。 图 2 中 黑 色 条 带 上的白亮 块状共晶碳 化物是由于 钢液在浇注 过程中凝 固的顺 序不同而形 成 的 ,先 凝 固 的 部 分 合 金 元 素 含 量少 ,而后凝 固 的 部 分 合 金 元 素 富 集 。 当 碳 及 合 金 元素富 集到共晶成 分 后 ,出 现 了 少 量 不 平 衡 的 共 晶 碳化物 ,呈白亮 条 块 状 ,见 图 3 ( b) 。 这 种 共 晶 碳 化 物主要
21、 由 V C 、 Mo2 C 组 成 4 ,其 在 热 变 形 过 程 中 被 打碎排 成链状 。 这 种硬脆相的 碳化物对基 体产生严 重割裂 作用 ,破坏了基体 的连续性 ,在冲击 过程中最 易萌生 裂纹 ,造成冲击功 的急剧降低 。从 冲击试验的 结 果 可 以 看 出 ,改 锻 并 没 有 改 善 模具钢 的带状偏 析 和 夹 杂 物 ,厚 度 方 向 的 冲 击 功 仍45 ( a) H13 A 钢( b) H13 B 钢图 4 改锻 后退 火态 H13 钢表 面的 显微 组 织Fig. 4 Microstructure of the surface of annealed H13
22、steel s af ter f orging : ( a) H13 A steel and ( b) H13 B steel中表面 的变形 量 大 ,而 心 部 的 变 形 量 小 。 变 形 量 大的部分 打碎了枝晶 和碳化物 ,使组 织均匀细小 ;变形 量小的 部分会残留 大块的碳 化物 。 所以 轧材心部偏析要比 边部严 重 。 本 试 验 材 料 虽 经 改 锻 处 理 ,但 生刘桂彪 ,等 :改锻对 H13 模具钢 轧材显微组 织和冲击性 能的影响不能达 到 N ADCA207 - 90 标 准优质 H13 钢冲击功最低为 170 J 的 要 求 。 H13A 钢 宽 度 方 向
23、的 冲 击 功 与长度 方向的相差 不大 ,远大于厚 度方向的冲 击功 。而 H13B 钢 的 冲 击 功 只 在 长 度 方 向 上 满 足 要 求 ,其 他方向 上均不能满 足 。 这是 由于宽度方 向在锻造过 程中经 历了更大的 变形 ,偏析条带 的间距变小 ,碳化 物颗粒 也更加细小 之故 。 所 以改锻对模 具钢组织和 性能的 影响主要与 改 锻 过 程 中 的 变 形 量 有 关 ,大 的变形量可 以 提 高 材 料 的 性 能 。 H13 钢 由 于 经 过 相 对优化 的冶炼轧制 及 热 处 理 工 艺 ,所 以 其 性 能 要 优 于 H13B 钢的 。 对 各 向 同 性
24、要 求 不 高 的 企 业 ,可 以使用经 改锻处理的 H13 模具钢 。2 . 3 断口 形 貌据 观察和由图 5 可 知 ,两 种 钢 长 度 方 向 试 样 的 断口均 有大面积剪 切唇区 ,发生了明 显的塑性变 形 ,为韧性 冲击断口 。 H13A 钢宽度方 向 冲 击 试 样 也 为韧性断 口 。 H13B 钢宽度与厚 度 方 向 的 冲 击 试 样 断 口平整 ,在断 裂前几乎没 有塑性变形 ,可以 看出明显 的河流 花样 ,为 脆 性 断 口 。 这 也 表 明 H13A 钢 的 冲击功高 于 H13B 钢的 。由 图 6 可以看 出 ,两 种 钢 退 火 态 中 的 粗 大 共
25、 晶 碳 化 物 并 没 有 经 调 质 处 理 而 消 除 ,两 种 钢 调 质 态 的( a) H13 A 钢 , 长 度方 向 ( b) H13 A 钢 , 宽 度方 向 ( c) H13 A 钢 , 厚 度方向( d) H13 B 钢 , 长度 方向 ( e) H13 B 钢 , 宽 度 方向图 5 H13 钢的 冲击断 口形 貌H13 B 钢 , 厚度 方向( f )Fig. 5 Impact f racture morphology of t he H13 steel : ( a) H13 A steel , length direction ; ( b) H13 A steel
26、, width direction ;( c) H13 A steel , thickness direction ; ( d) H13 B steel , length direction ; ( e) H13 B steel , width direction and ( f ) H13 B steel , thickness direction( a) H13 A 钢 ( b) H13 B 钢图 6 改锻 后调质 态 H13 钢的 显微组 织Fig. 6 Microstructure of quenching and tempering H13 steel s af ter f orgi
27、ng : ( a) H13 A steel and ( b) H13 B steel组织皆 为回火索氏 体 ,组织差异不 明显 ,因此两种钢冲击性 能的差异与 最 终 的 淬 回 火 组 织 无 关 ,而 与 最 初原始 退火态试样 中的碳化 物偏析有关 。比 H13A 钢 的 粗 大 , 其 偏 析 程 度 较 H13A 钢 的 严重 ,钢条带 间 距也较大 ; H13B 钢 表 面 的 共 晶 碳 化 物 比 H13A 钢的 更粗大 且 数 量 更 多 ,其 晶 界 上 析 出 大 量长条 块状二次碳 化 物 ; 改 锻 处 理 并 不 能 完 全 消 除钢中的 偏析与大块 液析伪共晶 碳
28、化物 。(下转 第 57 页 )3 结 论(1) 经 改 锻 退 火 后 , H13B 钢 心 部 的 带 状 组 织46 刘俊亮 :一种 新型高铬铁 素体钢的 蠕变性能及 显微组织 5 FU TA MU RA Y , TSU C H I YA MA S , TA KA K S , et al . St rengt heni ng mecha ni sm of Cu bea ri ng heat re si st a nt ma rt en2 sitic st eel sJ . ISIJ Int er natio nal ,2001 ,41 : .MU RA TA Y , MO R IN A
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34、ipitates in Fig. 4( c) 8 (2) 蠕 变后 ,在该钢蠕变 试 样 的 夹 持 部 位 ,沿 板条马氏 体界面和原 奥 氏 体 晶 界 的 析 出 相 略 有 长 大 ;在蠕变 均匀变形区 和 颈 缩 区 内 ,界 面 上 的 M23 C6 型 析 出 相 明 显 粗 化 和 偏 聚 , 同 时 有 粗 大 Fe2 ( W , Mo )金属间 化合物相形 成 ; 板 条 马 氏 体 组 织 在 颈 缩 区 基本消失 。参考文 献 : 9 10 11 1 MA SU YA MA F , IS H IA RA I , YO KO YA MA T , et al . Appli
35、2 catio n of t ungst en st rengt hen 9212 % Cr boiler st eel pipe s J . Ther mal a nd N uclea r Po wer ,1995 ,46 : .C HO U D HA R Y B K , P HA N IRAJ C , B HA N U S , et al . Creep defo r matio n behavio ur a nd ki netic a spect s of 9 Cr21 Mo f er ritic st eel J . ISIJ Int er natio nal ,2001 ,41 (
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37、C / / Proc 5t h Int Co nfCreep of Mat erial s. Clevelend : A SM Int , Met al Pa r k , 1992 :. 12 2 13 3 4 致谢 感 谢沈喜训 博 士 和 高 加 强 博 士 对 本 试 验 的 支 持 ,同时感 谢宝钢股 份研究 院 王 起 江 教 授 在 试 样 制 备 过 程 中 给 予 的指 导 。(上接第 46 页 )(2) H13 钢的冲 击功从表 面到心部呈 逐 渐 降 低 的趋势 , H13B 钢的降 低幅 度 更 大 ,其 厚 度 方 向 最 低 仅为 21 J ,而 H13A 钢 的冲击
38、功 相 对较好 ,为 115 J , 但同 N ADCA207 - 90 标 准 规 定 的 最 低 值 170 J 仍有很大 差距 。(3) H13A 钢 在 长 度 、 宽 度 方 向 和 H13B 钢 的 长度方 向冲 击 试 样 断 口 均 为 韧 性 断 口 , H13B 钢 的 宽度和 厚度 方 向 的 为 脆 性 断 口 ; H13B 钢 长 度 方 向 试样发 生韧性断裂 ,而 厚 度 和 宽 度 方 向 试 样 为 脆 性断裂 。参考文 献 :热疲 劳性 能的 研 究 C / / 第 一 届 国 际 机 械 工 程 学 术 会 议 论 文集 . 上海 :国 际 机械工 程学
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