冷却方式对H13钢组织和性能的影响

2021-08-30朱繁康杨建志张伟文

模具工业 2021年7期

朱繁康，杨建志，张伟文

（广州华工光机电科技有限公司，广东广州 510640）

0 引言

H13钢属于热作模具钢，具有优良的热强性和热疲劳性能，被广泛用于制造压铸模、热挤压模和热锻模等[1-3]。为了获得更好的性能，田玉新[4]、彭文屹等[5]研究了热处理工艺对H13钢热疲劳性能的影响，韩文奎等[6]研究了高温预回火对该模具钢的冲击韧性的影响，王永健等[7]研究了Ti含量对模具钢组织与性能的影响，叶宏等[8]对H13钢表面处理工艺及耐磨性进行了研究。然而，奥氏体化加热后冷却方式对H13钢的组织与性能的影响研究鲜有报道，现对H13钢不同冷却方式进行试验，并对其组织与性能的影响进行了研究，为相关专业工程技术人员提供试验依据。

1 试验设备与试样制备

1.1 试验材料

试验使用电渣重熔并经过热轧的H13钢板材，截取尺寸为120 mm×55 mm×25 mm的板材，材料的化学成分如表1所示。将板材加工成试样，其中硬度试样尺寸为25 mm×25 mm×27 mm，金相组织试样尺寸为25 mm×25 mm×25 mm。拉伸试样的中间尺寸是φ10 mm×60 mm，两端是M16×20 mm的螺纹，中间与螺纹部分有R10 mm圆弧过渡，试样总长为120 mm。冲击试验采用标准V形缺口夏比冲击试样，耐磨试验试样尺寸为10 mm×10 mm×11 mm，热疲劳试验试样尺寸为15 mm×15 mm×5 mm。

表1 材料的化学成分质量分数

1.2 试验方法

在VOQ2-150型真空炉中进行加热和油冷，在VOQ-150型真空高压气淬炉中进行加热和气冷或炉冷，具体热处理工艺如表2所示。试样均在RJ2-45-6型井式回火炉回火2次，第1次回火出炉空冷后，再放入回火炉进行第2次回火。

表2 热处理工艺

试样抛光后在HRB-150型洛氏硬度计测试硬度，测试面为试样的3个相互垂直面，每个面测试3个点，硬度取平均值，每种工艺测试3个试样。冲击试验在JB230型冲击试验机上进行，拉伸试验在WAW-500C型微机控制电液伺服万能试验机上进行，每种工艺测试3组试样，取平均值。金相试样经180#、320#、400#、600#、800#、1000#水磨砂纸相互垂直磨光，并用绒布抛光到接近镜面，然后用4%硝酸+96%乙醇溶液浸蚀，浸蚀时间为20～25 s，最后用Leica DMI 5000M型金相显微镜观察组织。微动磨损试验在室温下进行，采用点接触形式，对偶件钢球材料为GCr15，钢球直径为φ10 mm，硬度为62.5 HRC，试验条件为：载荷50 N、速度0.05 m/s、振幅1 mm、试验时间30 min、干摩擦。试验用万分之一精度电子天平称试样试验前后的质量，计算磨损失重。热疲劳试验在盐浴回火炉中进行，模拟压铸快速受热形式，盐浴采用50% KNO3+50% NaNO3的硝盐配方，盐浴温度为600℃，保温时间为1 min，冷却介质为水，水温为35℃，冷却时间为10 s。

2 试验结果

2.1 硬度

图1所示为硬度测试结果，硬度最高的是油冷处理试样，硬度为51.5 HRC，而炉冷出炉试样硬度最低，为49.3 HRC，油冷试样硬度比炉冷试样硬度高2.2 HRC。

2.2 力学性能

图2所示为不同冷却速度处理试样的冲击韧性结果，油冷试样、气冷试样和炉冷试样的冲击韧性分别为 15.1、11.9、6.8 J/cm2，油冷试样冲击韧性最好，是气冷试样的1.27倍，是炉冷试样的2.22倍。图3所示为不同冷却速度处理试样的拉伸试验测试结果，由图3（a）可知，屈服强度和抗拉强度从高到低的分别是油冷试样、气冷试样和炉冷试样，不同冷却方式处理的试样屈服强度、抗拉强度差别不大。由图3（b）可知，延伸率和断面收缩率由高到低分别是油冷试样、气冷试样和炉冷试样。不同冷却方式处理的试样之间差别明显，油冷试样的延伸率是气冷试样的1.04倍，是炉冷试样的1.66倍；油冷试样断面收缩率是气冷试样的1.09倍，是炉冷试样的2.45倍。

图3 拉伸试验测试结果

2.3 显微组织

图4所示为不同冷却速度处理试样的显微组织，由图4（a）可知，油冷试样的组织为回火屈氏体+回火马氏体，马氏体针状组织比较细小。由图4（b）可知，气冷试样的组织为回火屈氏体+回火马氏体，马氏体针状组织比油冷试样粗，在部分晶界位置有非金属夹杂物和共晶碳化物存在。由图4（c）可知，炉冷试样的组织为马氏体+屈氏体，组织粗大，存在明显的晶界，在部分晶界相交处有颗粒状的碳化物，部分晶界交接处浸蚀后形成孔洞。

图4 试样显微组织

2.4 磨损性能

试验结果如图5所示，磨损量由少到多分别是油冷试样、气冷试样、炉冷试样。在试验时间内，气冷试样磨损量约是油冷试样的1.3倍，炉冷试样磨损量约是油冷试样的2.1倍，由此可知油冷处理的试样耐磨性最好。

图6所示为不同工艺试样磨损SEM的形貌，磨损形貌与试样磨损量有较好的对应关系，油冷试样磨痕的犁沟浅且脱落坑少；气冷试样磨痕的犁沟较宽且较深，有明显的脱落坑；炉冷试样的磨痕有大片脱落坑，存在明显颗粒物。各试样的磨损机理主要为粘着磨损，这是由于试验过程中对偶件与试样的接触面局部发生金属粘着，在随后滑动中粘着处被破坏而形成。

2.5 热疲劳性能

热疲劳试验中，裂纹萌生周次分别是：油冷639周次、气冷492周次，炉冷365周次。热疲劳试验1 500周次后，试样表面的热疲劳裂纹如图7所示，由图7（a）可以看出，油冷试样的疲劳裂纹细小且均匀；由图7（b）可以看出，气冷试样的疲劳裂纹比油冷试样粗大，裂纹交织的区域大小相差大，有少部分表面发生脱落；由图6（c）可以看出，炉冷试样的疲劳裂纹比气冷试样更粗大，存在明显主裂纹，主裂纹两边垂直分布次裂纹，表面脱落的面积比气冷试样大。由以上分析可知，抗热疲劳性能最好的是油冷试样，其次是气冷试样，炉冷试样最差。