馬飛飛，周曉帆，高啟新，段寶玉，楊凡，王海燕

(1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學 分析測試中心，內蒙古 包頭 014010)

熱作模具鋼常在高溫條件下使用，尤其是常常用來制作熱鍛模具、壓鑄模具和熱擠壓模具等，其在工作時除了承受高溫載荷外，還要承受急熱急冷的服役環(huán)境.通常需要保證鋼材具有良好的強度、硬度、韌性和抗冷熱疲勞性等.作為熱作模具的典型鋼種，H13鋼具有較高的經(jīng)濟性和在高溫工況下優(yōu)良的綜合性能，因而受到研究者廣泛關注[1-3]，為增強H13熱作模具鋼的耐磨性，研究者們做了大量研究，目前，低Si高Mo的合金化與加入Nb的合金化途徑成為主要趨勢[4-6]，在成分設計上滿足H13鋼對于紅硬性，高強韌性，適合硬度的要求，配以合適的熱處理工藝，從而獲得細小均勻的基體組織，以及彌散分布的球化碳化物，由于H13鋼中細小均勻的碳化物有析出強化和細晶強化的作用，而形成網(wǎng)狀碳化物的尺寸、形貌以及數(shù)量等因素影響H13鋼的使用壽命，因此，避免形成網(wǎng)狀碳化物對熱作模具鋼的性能至關重要[7，8].

將針對性地制定2種熱處理工藝，采用光學顯微鏡觀察實驗鋼金相組織，利用掃描電子顯微鏡分析晶界處碳化物分布狀態(tài)以及析出位置，并分析晶界網(wǎng)狀碳化物的形成原因.

1 實驗材料與方法

實驗材料為H13鋼，其化學成分為(質量分數(shù)，%)：C：0.32～0.45；Si：0.80～1.20；Mn：0.20～0.50；Cr：4.75～5.50；Mo：1.10～1.75；V：0.80～1.20.將實驗鋼加熱到1 050 ℃后，保溫1.5 h充分奧氏體化后，關閉熱處理爐，然后1號樣在爐內隨爐冷至600 ℃時取出空冷，2號試樣隨爐冷至800 ℃時取出空冷，根據(jù)熱處理工藝不同，分別編號為1號鋼和2號鋼.將2種實驗鋼加工成10 mm×10 mm×10 mm的試樣，經(jīng)研磨與拋光后，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡下觀察其金相組織，利用掃描電子顯微鏡分析碳化物分布情況，并對晶界網(wǎng)狀碳化物的形成原因進行分析.

2 實驗結果與分析

圖1為實驗鋼退火態(tài)的金相組織圖.可以看出，基體晶粒大小不一，組織不均勻，顏色較黑位置為碳化物聚集區(qū)域，碳化物數(shù)量較多，尺寸細小，淺色區(qū)域為貧碳區(qū).基體中的碳化物以退火態(tài)球狀碳化物均勻分布，晶界處的碳化物以球狀碳化物獨立存在，未構成網(wǎng)狀碳化物.

采用掃描電子顯微鏡進一步分析，如圖2(a)所示，基體晶粒大小均勻，晶內彌散分布著顆粒狀碳化物.進一步放大看出，晶界聚集了較為粗大的碳化物顆粒，但彼此獨立存在，并未相連形成條狀或網(wǎng)狀，如圖2(b)所示.

圖3(a)與(b)分別為實驗鋼在爐內冷至600和800 ℃空冷后的金相組織照片.可以看出，在1號工藝試樣中，晶界處并沒有發(fā)現(xiàn)碳化物顆粒連接成線，網(wǎng)狀碳化物等級為零級，而2號工藝試樣的金相組織中，晶界處發(fā)現(xiàn)連成條狀的碳化物.

實驗鋼在熱處理過程中，晶界處形成先共析二次碳化物，淬火時不能完全消除，會使零件的脆性增加，承受載荷的強度和韌性降低[9，10].

進一步采用掃描電子顯微鏡進行深入觀察.圖4為實驗鋼在經(jīng)不同工藝熱處理后的SEM圖片.H13鋼的Ar1，溫度應為700 ℃左右.圖4(a)表明，對于爐冷至低于600 ℃后進行空冷的1號試樣，其碳化物呈粒狀均勻分布.對于爐冷至高于800 ℃后進行空冷的2號樣，可以看到晶界處出現(xiàn)了大量網(wǎng)狀碳化物，將基體晶粒割裂開來，如圖4(b)所示.

研究表明，如果退火組織出現(xiàn)網(wǎng)狀結構，在淬火加熱的過程中，即使奧氏體化時網(wǎng)狀碳化物溶入了基體，也會有少部分保留下來，網(wǎng)狀碳化物的析出位置大部分在晶界出現(xiàn)，在使用過程中，網(wǎng)狀碳化物容易形成裂紋源，使實驗鋼的耐沖擊韌性降低，脆性增加，工件在使用過程中承受沖擊載荷時易產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象[11，12].

由上述分析可以推斷，Ar1溫度附近是網(wǎng)狀碳化物形成的臨界轉變溫度.因此，在H13鋼的熱處理與軋制鍛造過程在Ar1(700 ℃)溫度以上，且不應有較大的過冷度，以防止網(wǎng)狀碳化物的析出.

網(wǎng)狀碳化物的形成與鋼的化學成分和鋼錠中碳化物偏析程度有密切關系，其實質為實驗鋼中Cr，Mo，V等合金元素在凝固過程中極易發(fā)生偏析，進而與碳元素反應生成碳化物，鋼錠中碳化物偏析程度越大，碳化物密集區(qū)域越容易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物.若工件中出現(xiàn)網(wǎng)狀組織，可通過高溫正火+球化退火來消除，正火溫度在940 ℃左右[13].或通過高溫固溶處理，溶解更多的合金碳化物,也可改善成分偏析的現(xiàn)象，使碳化物溶解至基體中，這樣就避免形成有害鋼件性能的網(wǎng)狀碳化物.

3 結論

(1)在預設的2種熱處理工藝下，實驗鋼經(jīng)奧氏體化并爐冷至Ar1附近不同溫度后，在1號工藝試樣中，晶界處并沒有發(fā)現(xiàn)碳化物顆粒連接成線，網(wǎng)狀碳化物等級為零，而2號工藝試樣的金相組織中，晶界處發(fā)現(xiàn)了大量網(wǎng)狀碳化物，將基體晶粒割裂開來.

(2)Ar1溫度附近是網(wǎng)狀碳化物形成臨界轉變溫度，在H13鋼中熱處理與軋制鍛造過程應在Ar1(700 ℃)溫度以上，且不應有較大的過冷度，以防止網(wǎng)狀碳化物的析出.