等温淬火对H13钢组织、硬度和拉伸性能的影响

2023-10-23张剑平魏继成范滢清

金属热处理 2023年10期

张剑平, 魏继成, 范滢清, 澭浩

(1. 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西南昌 330063;2. 中国航发西安航空发动机有限公司, 陕西西安 710016;3. 利勃海尔中航起航空(长沙)有限责任公司, 湖南长沙 410200)

H13钢具有较好的高温强度、硬度以及良好的抗冲击能力,在模具工业中得到广泛应用,尤其是在工况条件恶劣的热作模具方面应用更为广泛[1]。但随着制造业的不断发展,常规热处理难以满足H13钢对性能的要求,迫切需要寻求更好的热处理工艺提高其综合性能。

1969年,Edwards发现由马氏体和贝氏体组成的复相组织性能要优于单一马氏体组织[2],从而引起了人们对该类复相组织的关注。Abbaszadeh等[3]对D6AC钢进行了全马氏体、马氏体/上贝氏体和马氏体/下贝氏体复相组织性能的比较,发现随着下贝氏体含量的增加,材料的伸长率和冲击性能都提高,但随着上贝氏体含量增加,材料的性能有所下降。Tomita等[4]也得到相似的研究结果。因此,马氏体/上贝氏体复相组织对材料的性能不利。马氏体/下贝氏体复相组织处理工艺为H13钢性能的提高提供了较大可能,何文超等[5]研究了贝氏体等温淬火对H13热作模具钢组织及热疲劳性能的影响。谢冬柏等[6]研究了H13钢的马氏体/贝氏体组织与性能,但缺乏拉伸性能方面的研究。本文主要研究了不同等温工艺对H13钢中下贝氏体/马氏体(M/BL)复相组织的显微结构、硬度和拉伸性能的影响规律。

1 试验材料与方法

试验用H13钢取自工厂生产所用的φ50 mm棒材,化学成分见表1。其显微组织如图1所示,可以发现,原材料中存在明显的带状组织[7],组织中看不到明显的等轴晶界。因此,试验首先采用ZPM10型高温箱式炉对原材料进行1250 ℃×4 h空冷的消除带状组织热处理。考虑到H13钢的淬透性比较好,在空气中也能形成马氏体组织,因此,对材料进行一次640 ℃×2 h的回火处理。随后,按照试验设计所需试样进行线切割,再在高温箱式炉中进行1080 ℃×1 h淬火,加热时平均升温速率为15 ℃/min,并且分别在650 ℃和850 ℃保温50 min,保温结束后在空气中冷到试样表面暗红色消退后,转入升温好的SX2-5-12型箱式电阻炉进行不同温度和不同时间的等温处理,等温温度处理工艺依据H13钢C曲线特点进行设计[8],具体见表2。等温结束后,再分别进行560 ℃×2 h和540 ℃×2 h的两次回火处理。为防止H13钢在消除带状组织和淬火加热时高温下出现严重的脱碳和氧化,热处理时均将试样埋在装有碳粉和铁屑的铁盒中。

表1 H13钢的化学成分(质量分数,%)

表2 等温处理工艺参数

采用HR-150A型洛氏硬度计测试试样的硬度,采用MJ30型光学显微镜拍摄试样的显微组织,采用FEI Nova Nano SEM450型场发射扫描电镜观察和分析试样中的碳化物形貌及其分布。采用WTM-2E型摩擦磨损试验机测试试样的摩擦性能。选择不同温度下等温时间最短和最长的2个试样进行拉伸试验,拉伸试验在WOW-50型电子式万能试验机上进行,拉伸速率为0.5 mm/min,试样参照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》制备,如图2所示。

图2 拉伸试样示意图Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen

2 试验结果与分析

2.1 消除带状组织热处理

由于H13钢中合金元素的含量较高(达8%),容易产生元素的枝晶偏析,在随后的热加工过程中极易形成带状组织[9]。这种组织对材料的性能不利,必须消除。通过1250 ℃×4 h空冷+640 ℃×2 h回火后,原始材料中的带状组织基本消除,出现了明显的等轴晶粒,同时晶粒中可见明显板条状马氏体。如图3所示。图3表明,经过热处理后,带状组织消失,并且由于在高温下长时间保温,晶粒比较粗大,但这种粗大的晶粒可以在随后的正常淬火工艺中得到改善。另外,组织中可见有板条马氏体存在,并且板条较粗大,硬度值有46 HRC。

图3 H13钢经1250 ℃淬火4 h(空冷)+640 ℃回火2 h后的显微组织Fig.3 Microstructure of the H13 steel after quenching at 1250 ℃ for 4 h, air cooling and then tempering at 640 ℃ for 2 h

2.2 等温淬火组织和性能

2.2.1 等温淬火组织

图4为H13钢等温淬火+二次回火后的显微组织。由图4(a)可见,H13钢直接淬火(1080 ℃淬火+二次回火,下同)后的组织主要由马条马氏体组成,并且板条较宽,约为10 μm。由图4(b～g)可以看出,在同一温度下等温时,随着等温时间的延长,贝氏体数量有所增加,马氏体板条变窄。等温时间相同时,随着等温温度的降低,贝氏体数量增加,马氏体板条也同样变窄。

图4 H13钢经不同等温淬火+二次回火后的显微组织(a)直接淬火;(b)340 ℃×10 min;(c)340 ℃×50 min;(d)320 ℃×15 min;(e)320 ℃×75 min;(f)300 ℃×15 min;(g)300 ℃×75 minFig.4 Microstructure of the H13 steel after different isothermal quenching and double tempering(a) directly quenching; (b) 340 ℃×10 min; (c) 340 ℃×50 min; (d) 320 ℃×15 min; (e) 320 ℃×75 min; (f) 300 ℃×15 min; (g) 300 ℃×75 min

下贝氏体的形成不同于上贝氏体,上贝氏体铁素体通常首先在奥氏晶界处形成,并向奥氏体晶粒内生长,而下贝氏体铁素体既可以在奥氏体晶界处形成,也可以在奥氏体内部形成。同时,从下贝氏体转变动力学来看,在转变温度内停留时间越长,其数量也越多;而随着温度降低,下贝氏体转变的驱动力加大,贝氏体铁素体易于形成,并且由于温度较低时,铁素体的生长受到抑制,因此比较细小。由于下贝氏体针片的生长方向任意,因此,当下贝氏体形成后,原奥氏体被分割,下贝氏体越多,奥氏体被分割得越细。在随后的淬火过程中,未转变的奥氏体将向马氏体转变或形成残留奥氏体,因此得到的马氏体板条也越小。

另外,由图4中下贝氏体针都较长可以推断,经过重新加热淬火后,试样中原奥氏体晶粒仍比较粗大。后续可以在消除带状组织后进行一次细化晶粒处理。

2.2.2 碳化物及其分布

图5和表3为直接淬火后试样的扫描电镜形貌及能谱分析。由图5可以看出,在试样中存在许多纳米级小颗粒,同时也存在一些微米级孔洞。H13钢中的碳化物主要有VC、Mo2C、Cr23C6、M7C3型等[10],结合表3中的能谱分析可以认为,这些小颗粒为合金元素的碳化物。同时,这些合金元素中,除Mn外,其余均为H13钢中特定加入的。另外,由位置E的能谱数据可知,图5中的孔洞应该为制样时碳化物颗粒被打磨脱落后形成的。

图5 直接淬火后试样的SEM图Fig.5 SEM image of the directly quenched specimen

表3 图5中不同位置的能谱分析结果(质量分数,%)

2.2.3 硬度和拉伸性能

H13钢等温淬火+二次回火后的硬度和拉伸性能如图6所示。作为对比,同时测试了直接淬火试样的硬度和拉伸性能。由图6(a)可以看出,等温淬火后的硬度均低于淬火+回火后的硬度(58.3 HRC),但都要高于消除带状组织后的硬度(46 HRC)。另外,由图6(a)还可以看出,随着等温时间的延长或等温温度的降低,试样的硬度均呈逐渐降低趋势。对于马氏体转变来说,如果预先有贝氏体转变发生,则随后的马氏体转变将受到抑制,亦即残留奥氏体的量会增多。同时,下贝氏体的硬度较马氏体要小。因此,硬度呈下降趋势。

由图6(b)可以看出,在同一等温温度下,延长等温时间时试样的抗拉强度和伸长率均提高。在试验温度范围内,340 ℃等温50 min后的抗拉强度和伸长率都最高,分别达到1617.6 MPa和12.8%,比普通淬火回火后的全马氏体试样分别提高23.5%和36.2%,这一结果与文献[11]的结果类似。同时,这一结果也表明下贝氏体对复相组织拉伸性能的提高存在一个临界体积分数值,但这一临界值还有待进一步的试验验证。

一般认为,马氏体和下贝氏体双相组织的强化机制符合混合定则[3,12],可以用式(1)进行描述:

(1)

文献[3,13]分别测试了D6AC钢和CrMoV钢(碳含量均约为0.47wt%)中下贝氏体和马氏体的硬度,均分别约为480 HV和740 HV。由于下贝氏体的硬度比马氏体的低,根据混合定则,双相组织的硬度也将随着下贝氏体的含量增加而降低。

由式(1)可知,由于下贝氏体的强度低于马氏体的,因此,复相组织的强度应该也将随着下贝氏体含量的增加而下降。但正如前述显微组织中观察到的,由于下贝氏体的形成将改变随后形成的马氏体板条的几何尺寸,从而得到类似细晶强化的效果。另外,预先有下贝氏体存在的条件下,后形成的马氏体与下贝氏体之间将存在一些复杂的交互作用,从而引起一些其它的强化效果[14-16]。因此,Park等[12]认为,下贝氏体和马氏体双相组织的强度由3个方面的综合因素所决定:①下贝氏体板的存在导致马氏体亚结构细化而导致的强化;②下贝氏体转变过程中未转变奥氏体中碳含量的增加以及随后形成的马氏体强度的增加;③混合规律。同时还要注意奥氏体晶粒粗大以及下贝氏体铁素体宽度增加对材料拉伸性能的不利影响[12]。

图6(b)还表明一定体积分数的下贝氏体与马氏体的复合组织的伸长率比全马氏体试样的有所提高,这可能与拉伸过程中残留奥氏体的TRIP效应有关[17]。