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改善H13系列热作模具扁钢退火组织的工艺研究

2021-02-28孙盛宇赵腾飞叶世圣

模具制造 2021年1期
关键词:钢锭偏析碳化物

孙盛宇,付 博,赵腾飞,叶世圣

(1.东北特殊钢集团股份有限公司技术中心,辽宁大连 116105;2.东北特殊钢集团股份有限公司第二轧钢厂,辽宁大连 116105)

1 引言

H13钢是全球范围内使用最普遍的热作模具钢之一,该钢具有优异的淬透性、淬硬性、耐磨性、高温强韧性、抗热疲劳性以及稳定优良的机加工性和抛光性,被广泛用于制作铝合金压铸模具、挤压模具和热锻模具等。

由于H13钢中的强碳化物形成元素Cr、Mo、V含量较高,在钢锭浇注过程中易形成枝晶偏析,在枝晶间最后凝固残液内富集着碳和铬等溶质元素,凝固析出大量碳化物,在锻轧后沿变形方向呈带状分布,造成退火组织中出现呈带状的碳化物偏析,碳化物带状偏析越严重钢的横向冲击功越低,等向性越差[1~2]。在枝晶臂间最后凝固的中心区域到达共晶成分时会生成一次液析碳化物,分布在晶体内粗大的液析碳化物,因自身开裂或与基体界面脱离使材料脆性增大,导致塑性、韧性降低,材料提前失效[3~4]。H13钢终轧温度较高时若在800℃~600℃内缓冷或冷却速度不够会大量产生延晶界析出的二次碳化物[5],形成网状。这种链状碳化物薄网的存在,削弱了金属间的结合力,使晶界弱化,造成裂纹优先在碳化物聚集的晶界处形成并沿晶界扩展,二次碳化物网越严重,韧性越差[2][4]。

NADCA#207和SEP1614标准为评价带状偏析、液析碳化物和网状碳化物提供了相应的带状和组织评级图谱;按这两个标准对某厂生产的H13系列扁钢退火组织进行评定,一次合格率仅为79%,因此为进一步提高组织一次合格率有必要对H13扁钢的生产工艺进行梳理、改进,本文主要从钢锭高温扩散、扁钢轧后冷却及球化退火等方面的工艺研究进行阐述。

2 试验材料及方法

某厂H13系列扁钢包含多个牌号,化学成分根据H13进行微调,主要代表牌号及化学成分如表1所示。H13系列扁钢主要工艺路线为EBT+LF+VD→模铸→钢锭加热、轧制开坯→扁钢轧制成材→球化退火→检验、精整、包装入库。

表1 某厂H13系列代表牌号与化学成分 %

本文以H13钢为研究对象,分别按表2的5组工艺进行试验,每组工艺试验1个炉次,锭型均采用4.2t扁锭,扁钢成品厚度均为35~120mm,在线水雾冷却强度的变换是通过控制喷水阀门的开关、喷水强度实现,并根据辊速和冷却道次控制最终温度。退火后扁钢按NADCA#207标准评价退火组织及带状级别,金相试样用4%硝酸酒精腐蚀,用ZEISS AxioImager Z2M光学显微镜分析显微组织、碳化物类型、形态。

表2 5组工艺的主要工艺参数

3 试验结果

5组工艺的退火组织和带状一次合格率如表3所示。

表3 5组工艺的退火组织和带状一次合格率 %

4 结果分析

4.1 带状偏析及液析碳化物的改善

表3是5组不同工艺的退火组织和带状按NADCA#207标准检验的合格率情况,图1是5组不同工艺具有代表性的退火组织和带状金相照片。检验结果表明当采用1#和2#加热工艺,即钢锭按1,230℃保温15h时,带状合格率不大于50%,带状偏析区域存在液析碳化物,见图1a、图1c所示。当按3#~5#工艺将钢锭加热温度提升至1250℃,保温时间延长至30h时,带状全都合格,说明该工艺能够完全消除液析碳化物,如图1e、图1g、图1i所示。

由图1c和图1e可知,随着加热温度的提高,钢锭的枝晶偏析扩散得越充分,偏析程度减弱,但采用1,250℃的加热温度无法完全消除带状偏析,而当加热温度继续升高到1,300℃并长时间保温,带状组织可以消除[6~7]。考虑到1,300℃高温扩散后组织晶粒异常粗大,氧化严重且晶界局部发生熔化[7],生产成本加大,一般采用1,250℃的高温扩散温度。

由此可见,消除液析碳化物可以通过钢锭按1,250℃保温30h的高温扩散工艺消除,带状偏析可以较大程度地缓解。

4.2 退火组织均匀性改善

扁钢终轧温度大于860℃,轧后冷却速度低于临界速度后易发生珠光体、贝氏体转变并在晶界析出二次碳化物,呈现出网状,从图2 H13钢样棒的CCT曲线可知,虚线为二次碳化物析出线,当冷却速度提高到只发生马氏体转变时可以避免形成珠光体、贝氏体组织及网状碳化物。考虑规格影响,为保证厚规格在冷却前期的降温速度,必须增大冷却强度,而冷却强度不是越大越好还需考虑钢材的冷却变形、冷却最终温度等因素。由于是在轧制线上直接冷却,冷却设备有宽度限制,若冷却变形较大,扁钢弯曲严重会引起卡钢;当冷却强度及时间控制不当,冷却最终温度低于100℃时,扁钢端头开裂率急剧上升,严重者出现断裂。而在线水雾冷②工艺很好的解决了上述问题。

图1 5组工艺的退火组织及带状

由工艺1#的组织合格率(0%)和工艺2#、3#的组织合格率(75%和68%),可知扁钢轧后在线水雾冷①工艺对组织合格率提升有显著作用,从工艺1#的金相组织图1b可知退火组织中存在珠光体组织,级别为AS15。在线水雾冷①工艺是通过轧线后部的预硬化设备对扁钢进行喷水喷雾操作起到快速冷却的效果。经水雾冷①工艺处理的金相组织具有较明显的贝氏体转变特征如图1d、图1f所示,组织中网状碳化物较少,但出现比较明显的白色区域。

另外需要说明的是采用水雾冷①工艺出现组织不合的规格集中在厚度大于80mm范围内,这是由于不同规格在对应冷却道次的设置参数是一样的,即不同规格的第1道次或第2道次或第3道次的冷却强度是相同的,不同规格冷却工艺的差异仅体现在冷却道次的数量上。在相同的冷却强度下,厚规格的冷却速度低于薄规格,因此厚规格发生贝氏体转变,经过退火后,部分贝氏体特征保留在组织中。

图2 H13钢棒样CCT曲线

采用工艺4#生产的H13扁钢的组织合格率进一步提升至95%,主要组织合格级别如图1h所示,评级为AS6,组织中的粒状碳化物较均匀地分布在铁素体上,明显的白色区域已消失。工艺4#的在线水雾冷②工艺针对不同规格组距的不同冷却道次设计了相应的冷却参数,在相同冷却道次上,厚规格的冷却强度大于薄规格,在同一规格组距内,前一道次的冷却强度大于后一道次。

工艺5#将退火工艺中750℃等温段保温时间延长了4h,从图1j金相组织可以看出碳化物球化效果更好,分布更加均匀。

5 结论

(1)加热温度1,250℃,延长高温扩散时间至30h可以改善带状、液析碳化物。

(2)提高轧后冷却速度,根据成品厚度规格设置不同的冷却工艺,可以改善退火组织均匀性。

(3)延长750℃等温球化的保温时长可进一步提升退火组织均匀性。

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