回火处理对挤压轮用H13钢组织性能的影响

徐寒晓，王延辉，燕云

(1.大连交通大学 连续挤压教育部工程研究中心，辽宁 大连 116028； 2.抚顺特殊钢股份有限公司 技术中心，辽宁 抚顺 113001)*



回火处理对挤压轮用H13钢组织性能的影响

徐寒晓1，王延辉1，燕云2

(1.大连交通大学 连续挤压教育部工程研究中心，辽宁 大连 116028； 2.抚顺特殊钢股份有限公司 技术中心，辽宁 抚顺 113001)*

采用金相分析、冲击韧性试验、硬度试验及扫描电子显微镜等方法，对挤压轮用H13热作模具钢经不同温度以及不同回火次数处理后的组织演变和性能变化进行研究.结果表明，带状偏析、伪共晶组织的存在可以导致H13钢抗回火性能的下降.H13钢在相同回火次数的条件下，回火温度越高，硬度下降越多，即抗回火性能越差.在最终热处理过程中，应该采用高淬高回的热处理方式.

H13钢；抗回火性能；碳化物

0 引言

挤压轮是连续挤压机中的重要部件，在实际工作中，其使用寿命往往要低于设计的使用寿命[1]，因此挤压轮寿命的长短直接关系到挤压产品的成本问题.挤压轮用H13钢是具有较好的淬透性、热强性和冷热疲劳性的热作模具钢[2]，适用于挤压轮在连续挤压机中的特殊使用条件.但由于在实际挤压过程中，挤压轮要受到坯料对其的交变载荷作用，导致轮槽处与坯料接触的位置摩擦生热产生的温度可以达到600℃左右高温[3]，这个温度并不能确定，但是会导致轮槽表面热影响区发生再次的回火作用，从而导致了其硬度有所下降.马强[4]等人对H13钢的回火温度与硬度和组织之间的关系进行了研究，得出结论：在淬火工艺一样的前提下，回火温度在500～650℃之间硬度随着回火温度的升高而降低，组织从回火马氏体向回火索氏体演变.然而不能单单以室温硬度作为衡量挤压轮的使用强度标准，但是从文献得知，高温下的材料硬度随着回火温度的升高以及回火次数的增加也会有下降的趋势，并且高温抗拉强度也随之下降[5- 6].所以可以认为，室温硬度指标可以用做为高温强度的参考指标，材料某处的室温硬度不足，也就代表此处的高温强度不足，最终此处由于强度不足而导致了开裂失效，所以硬度下降的多少也就间接的影响了模具的寿命.卢培民等人对挤压轮模具轮槽根部开裂的失效进行了分析，得出组织中的成分偏析以及网状碳化物也是导致其失效的原因之一[7].而抗回火性能就是材料在相同温度下经过多次回火后硬度下降的多少.本文就不同热处理工艺的挤压轮用H13钢的不同温度下的抗回火性能进行了不同温度下的多次回火试验，探究抗回火性能与组织之间的关系.

1 试验方法

试验用钢为某钢厂生产的H13热作模具钢，挤压轮的生产工艺为钢锭原材料-电渣重熔-锻造-锻后热处理-改锻-锻后热处理-粗加工-最终热处理-精加工.A、B两挤压轮是经过不同热处理工艺生产出的成品挤压轮，硬度同样为51.5HRC左右，A挤压轮的寿命高于B.其化学成分如表1所示，符合GB/T1299-2000的要求.为保证每个试样具有相同的原始组织状态，所有试验用料均取自两个挤压轮由内环向外径距离1/3处，分为A、B组及A#、B#组试样.由于挤压轮轮槽工作表面温度可以达到600℃，所以回火抗性试验的回火温度选取580、600℃，每次回火时间为2 h，空冷，做一次到四次的不同回火次数试验.

表1 试验用钢化学成分 %

将回火后试样毛坯按NADCA 207-2008标准加工成10 mm×5 mm×55 mm V型缺口冲击试样.用HR-150A手动洛氏硬度计和J30A型冲击试验机测试其力学性能.对不同回火工艺的冲击后的试样，经研磨抛光后采用化学腐蚀，腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液，腐蚀后的试样在OLYMPUS-BX41M金相显微镜下观察显微组织，用TESCAN VEGA3扫描电子显微镜下观测冲击断口显微形貌，以及微观组织.

2 试验结果及分析

2.1 两种挤压轮原始状态的显微组织

两种不同热处理工艺生产的挤压轮试样微观组织如图1和图2所示：

(a)带状偏析 (b)共晶碳化物 (c)回火组织

图1 A挤压轮正常热处理组织

(a)带状偏析 (b)共晶碳化物 (c)回火组织

图2 B挤压轮正常热处理组织

图1、2中(a)分别为两挤压轮试样的带状偏析组织.可以看出A、B两挤压轮中都有由于铸态组织中金属元素大量聚集在枝晶间而导致的不同程度的偏析，且B比A严重些，组织不均匀.对照NADCA 207-2008标准属于合格范围.图1、2中(b)可以看出两挤压轮组织中都存在不同程度大小的链状、球状伪共晶，这是由于合金在凝固过程中各相的凝固时间不同导致了不平衡凝固，合金元素在液相中不断富集，并冷却速度较快所产生的，且B中比A中较多.而这种偏析和伪共晶组织在随后的多次回火过程中也不会消除掉[8]，对组织的稳定性有影响，破坏了组织基体的连续性，容易成为模具断裂的裂纹源.2(c)中可以看出两者的组织主要是回火马氏体、回火索氏体、弥散碳化物以及残余奥氏体，并且都存在少量的网状碳化物沿晶界分布现象.这是由于未溶碳化物聚集长大，Fe3C析出，合金元素向晶界偏聚[9]，于是在在晶间形成网状碳化物.然而，在实际使用过程中，网状碳化物很容易形成模具失效的裂纹源[10].从组织图来看，随着碳化物网状析出越严重，模具的性能越差，越容易早起失效.综合以上的组织决定了A的回火态冲击功值、冲击韧性要高于B，且A随着回火次数的增加以及回火温度的升高，抗回火性能要优于B(图3所示).

2.2 不同温度多次回火对性能的影响

两挤压轮的出厂硬度均为51.5HRC左右，对从两挤压轮取下的试样(A#、B#)经过不同温度多次的回火，试验后的硬度变化曲线如图3所示.可以观察到，A#试样在580℃和600℃时经四次回火之后硬度分别下降了7.4%和16.5%；B#试样在580℃和600℃时经四次回火之后硬度分别下降了为12.8%和20.3%.A#、B#两试样在600℃温度下经过四次回火硬度下降程度要比580℃温度多，即600℃温度时的回火抗性要比580℃温度下要差.且相同温度下的B#试样经过多次回火后的硬度比A#试样下降的多，故B#试样的抗回火性能要弱于A#试样，即B挤压轮的抗回火性能要弱于A挤压轮.

(a)A#试样

(b)B#试样

2.3 不同温度多次回火对组织的影响

不同温度多次回火试验后的微观组织如图4～8所示.可以看出，其组织为回火马氏体、回火索氏体、弥散碳化物以及残余奥氏体.同样可以观察到，同一个热处理工艺生产出的挤压轮试样，在不同温度下多次回火中，随着回火次数的增加，回火态组织中的残余奥氏体逐渐减少，且原来回火组织中存在的回火马氏体逐渐向以铁素体为基体，上面分布着均匀碳化物颗粒所形成的保持原有板条形态的回火索氏体而转变.随马氏体针条状的粗化，冲击韧性随之升高，硬度随之下降.

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

图4 A#试样580℃不同回火次数组织

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

图5 A#试样600℃不同回火次数组织

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

图6 B#试样580℃不同回火次数组织

(a)一次(b)二次 (c)三次 (d)四次

图7 B#试样600℃不同回火次数组织

(a)580℃回火一次 (b)580℃回火四次 (c)600℃回火一次(d)600℃回火四次

图8 A#试样不同回火次数SEM组织

扫描电子显微镜照片可以发现，A#挤压轮试样在回火温度达到600℃左右时，多次回火之后，二次碳化物从回火马氏体这种不稳定的组织中析出并且聚集长大(图8).而H13钢中有较高含量的Cr，而Cr原子在回火马氏体中可阻止基体的软化.Cr原子由于形成合金碳化物之后会大量减少，导致阻止软化的效果会有所降低，使得硬度或强度也下降.原来具有抗高温软化性能的细小的二次析出碳化物MC，将转变成M23C6并且快速粗大化，也就是弥散碳化物有部分在晶界处聚集长大，形成网状组织，降低了晶界结合能，致使晶界弱化，容易形成沿晶界开裂的裂纹.高温回火同样会造成碳化物析出且聚集长大，造成粗化，导致材料内部弥散强化的效果变弱，使其硬度值急速下降，并最终稳定于某个硬度附近[11- 12].由于网状碳化物越严重，冲击性能就越差，但是碳化物的析出长大，并且组织向回火索氏体转变，导致冲击性能增加的效果要强于降低的效果.这样的发展趋势也证明了在一定回火温度的条件下，随着回火温度的升高，回火次数增加，H13钢的硬度下降越多，但冲击韧性会有所增加.

图9是A#挤压轮试样在不同回火温度下的不同回火次数的冲击断口SEM组织，从断口形貌分析可知，得到的冲击试样断口基本由准解理+韧窝塑坑组成，属于准解理断裂.而准解理断裂是介于解理断裂与塑性断裂间的一种过渡断裂形态.相同回火温度下，回火次数多的(b)、(d)相对(a)、(c)具有撕裂棱、韧性塑坑较多，而且撕裂棱较短，解理平面也较小，解释了相同回火温度下，随着回火次数的增加，冲击韧性也增加.沿晶界有扩展的二次裂纹，因为合金碳化物在晶界析出而导致的网状碳化物所产生的裂纹.而在600℃和580℃回火温度下相比之下也是如此，相同回火次数下，回火温度高的比回火温度低的具有更多的撕裂棱和韧性塑坑，而且解理平面较小，冲击韧性较高.

(a)580℃回火一次 (b)580℃回火四次 (c)600℃回火一次(d)600℃回火四次

图9 A#试样不同回火次数冲击断口SEM形貌

综上所述，影响挤压轮寿命的主要因素从目前来看是硬度以及韧性，硬度的高低影响挤压轮开裂的难易和方式，而韧性的高低影响的是开裂后的裂纹扩展速度.两个性能很好的配合才能达到提高挤压轮寿命的目的.在挤压轮生产的淬火回火热处理处理阶段，应该使用高淬高回(1 050℃左右淬火+多次回火)的热处理方式，使碳化物充分溶解，并保证淬火阶段充分快速冷却，减少碳化物聚集，减少晶粒的生长，这样H13钢在600℃的高温下碳化物析出长大不明显，造成的回火硬度下降会相对较少，进而高温强度下降较少，使挤压轮寿命延长.

3 结论

(1)相同600℃回火温度的条件下，经四次回火后，A试样硬度下降16.5%，B试样硬度下降了20.3%.即带状偏析、伪共晶组织的存在可以导致H13钢抗回火性能的下降；

(2)A#试样在580℃时经四次回火后硬度下降了7.4%，在600℃时下降了16.5%.即回火温度越高，抗回火性能越差；

(3)挤压轮为了得到优良的抗回火性能，应该采用高淬高回的热处理方式，使H13钢在高温下造成的回火硬度下降相对较少，使挤压轮寿命延长.

[1]卢培民, 王延辉, 李冰. 连续挤压挤压轮模具轮槽根部开裂失效分析[J]. 热加工工艺, 2010 (22):191- 193.

[2]邹安全, 邓沛然. H13钢组织与性能对吗热锻模使用寿命的影响[J]. 中国机械工程, 2004, 15(24):2248- 2251.

[3]王颖, 樊志新, 宋宝韫. TLJ400型连续挤压机挤压轮温度场测定与模拟[J]. 有色金属加工, 2007,36(4):42- 45.

[4]马强, 孙叶, 刘瑞雪, 等. 不同回火温度对H13钢冲击韧度的影响[J]. 金属加工:热加工, 2013(15):33- 34.

[5]卢培民, 王延辉, 李冰. 连续挤压挤压轮模具轮槽根部开裂失效分析[J]. 热加工工艺, 2010(22):191- 193.

[6]王金国, 周宏, 苏源德,等. 高碳高钒高速钢的高温硬度及热处理的研究[J]. 金属热处理, 2000(3):22- 24.

[7]李金平, 崔丽. 锅炉汽包钢板高温强度及硬度的研究[J]. 电站系统工程, 1997(3):60- 64.

[8]周健, 马党参, 刘宝石, 等. H13钢带状偏析演化规律研究[J]. 钢铁研究学报, 2012,24(4):47- 52.

[9]杜志伟, 刘宗昌, 朱文方, 等. H13钢淬火, 回火过程中相变的研究[J]. 内蒙古科技大学学报, 2001，20(1)：34- 36，45.

[10]顾佳羽, 李欢. 高温正火对H13钢锻后组织的影响[J]. 金属热处理, 2012,37(6):70- 72.

[11]王文雄, 李训杰, 吴锡侃. AISI H- 13热作工具钢之热处理[J]. 金属热处理, 1993(36)：15- 30.

[12]BÖRJE LEHTINEN，WILLIAN ROBERT.Microstructural Changes During Tempering of Hot-Work Steels-Comparison of AISI H13 and UHB QRO80”[R]. Swedish Institute for Metals Search Report, 1983.

Effect of Tempering Treatment on Microstructure and Properties of Forged H13 Steel

XU Hanxiao1,WANG Yanhui1,YAN Yun2

(1.Engineering Research Center of Continuous Extrusion, Ministry of Education,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Technical Center,Fushun Special Steel Co.,Ltd,Fushun 113001,China)

The changes of microstructure evolution and property after different heat treatment process at different temperatures and different numbers of tempering of the extrusion wheel with H13 hot-work die steel were studied by using metallographic analysis, impact toughness test, hardness test,SEM and other methods.The results show that the existence of zonal segregation and pseudo eutectic organization can make the properties of tempering resistance of H13 steel declined.The more the higher tempering temperature is the more hardness is decreased,and the worse properties of tempering resistance of the H13 steel under the condition of same times of tempering.High temperature quenching and tempering heat treatment should be used in the process of the final heat treatment.

H13 steel; properties of tempering resistance; carbide

1673- 9590(2017)01- 0112- 05

2015- 12- 29

徐寒晓( 1990- ) ，男，硕士研究生；王延辉( 1961-)，男，副教授,硕士，主要从事连续挤压设备的研究

E-mail:xhx_djtu@163.com.

A