淬火工艺对H13E钢显微组织及力学性能的影响

发布时间：2022-04-12

　　摘要：H13E 钢是通过调整合金元素对 H13 钢进行了一定的改性，研究了淬火工艺对 H13E 钢显微组织及力学性能的影响。 结果表明：随着淬火温度的升高，奥氏体晶粒尺寸单调增加，从 1020 ℃ 升高至 1080 ℃ 时，平均奥氏体晶粒尺寸增长了约 40 μm;硬度在1060 ℃达到最大值，为61. 6 HRC，相较于传统 H13 钢硬度高3 ～5 HRC，同时冲击吸收能量可达 16 J 以上。 当保温时间在 20 ～50 min 时，奥氏体晶粒增长速率较缓慢，平均奥氏体晶粒尺寸仅增长 7 μm 左右，同时硬度仅下降 0. 2 HRC 左右。 相同条件下油冷后 H13E钢马氏体更细小，力学性能优于空冷后的 H13E 钢。 考虑综合力学性能，H13E 钢较佳淬火工艺为：1060 ℃ 保温 20 ～ 30 min，油冷。

　　关键词：H13E 钢;淬火;奥氏体晶粒;显微组织;力学性能

　　近年来，随着生产技术的不断发展以及新型材料的出现，针对模具材料的性能要求也在不断提高，为此，许多研究者都在积极开发各种特性的模具材料[1⁃3]。 H13 钢属于热作模具钢，是在碳素工具钢的基础上 加 入 合 金 元 素 形 成 的 钢 种， 国 内 牌 号 为4Cr5MoSiV1[4]。 H13 钢因其良好的热强性、红硬性以及耐磨性而被广泛应用于制造精锻模、塑料模、热挤压模以及压铸模[5]。 研究表明[6⁃8]，目前国产 H13 钢淬火温度在1000 ～1100 ℃之间，淬火硬度在 52 ～ 58 HRC 之间;回火后硬度为 48 ～54 HRC，冲击韧度值为 14 ～20 J/ cm2。但应用于一些高强度、长时间作业的耐磨零部件，传统模具材料 H13 钢存在硬度不足、 使用寿命短等问题[9⁃10]。 H13E 钢是在原有 H13 钢基础上，对其中的合金元素成分进行了适当调整而达到一定的改性，期望在 H13 钢基础上提高其强韧性。 本文通过研究不同的淬火工艺参数(淬火加热温度、保温时间及冷却方式)对 H13E 钢显微组织及力学性能的影响规律，优化 H13E 钢的淬火工艺，为新型热作模具钢材料具体应用提供理论依据，对热作模具钢的改性及使用寿命的提高具有重要意义。

　　1 试验材料及方法

　　H13E 钢与 GB / T 1229—2014《工模具钢》中 H13钢的化学成分如表 1 所示。

　　采用 DSC404F3 型差示扫描量热仪测试 H13E 钢的相变温度。 图 1 显示 H13E 钢的 DSC 曲线，由图 1可知，H13E 钢的加热过程中出现两个吸热峰，一个吸热峰位于 763. 34 ℃ ，是珠光体向奥氏体转变温度;第二个吸热峰位于 849. 23 ℃ ，是碳化物溶解到奥氏体基体的温度。 由于 H13E 钢中的合金元素含量接近10% ，同时碳及合金元素均匀程度对淬火后的马氏体性能影响较大[11]，为使碳及合金元素充分均匀化，本试验选取的淬火温度范围为 1020 ～ 1080 ℃ 。

　　2 试验结果及讨论

　　2. 1 淬火温度对显微组织及力学性能的影响

　　图 2 显示了不同淬火温度下保温 20 min 后油冷的原奥氏体晶粒形貌及平均晶粒尺寸。 由图 2(a ～ d)可知，原奥氏体晶粒随着淬火温度的升高不断长大。当淬火温度为 1020 ℃ 时，奥氏体晶粒相对较小;当淬火温度升高至 1040 ℃时，发现尺寸大小不一的晶粒共存，说明部分奥氏体晶粒出现长大现象;淬火温度继续升高至 1060 ℃时，奥氏体晶粒尺寸有所增大，但依然是大晶粒与小晶粒共存现象;温度到 1080 ℃ 时，奥氏体晶粒尺寸迅速增大，各晶粒尺寸近似。 为得到淬火温度对原奥氏体晶粒尺寸变化情况，采用 Image ProPlus6. 0 图像分析软件测量平均奥氏体晶粒尺寸大小。

　　由图 2( e) 可知，当淬火温度分别为 1020、1040、1060 和 1080 ℃ 时，原奥氏体平均晶粒尺寸分别为20. 66、28. 68、47. 23 和 61. 80 μm。 可以看出晶粒尺寸随温度的升高而增长，且每个温度段的增长速率不尽相同，当温度处于 1040 ～ 1060 ℃ 时，奥氏体晶粒增长速率最快。

　　图 3 给出了 H13E 钢在不同淬火温度下的显微组织。 由图 3 可知，当淬火温度在 1020 ～ 1040 ℃ 之间时，组织中马氏体的形态较细小;当淬火温度上升到1060 ℃时，马氏体有粗化趋势，但分布均匀，且残留奥氏体含量有所增加，这是由于温度的升高使碳及合金元素充分溶解到奥氏体基体中，使马氏体临界转变温度 Ms 点降低，增加了残留奥氏体的含量。 同时温度的升高使奥氏体均匀化更加充分，淬火后马氏体的分布更加均匀。 温度继续上升至 1080 ℃时，由于奥氏体晶粒的快速增长，淬火后组织中马氏体较粗大，影响材料的性能[13]。 图 4 是 H13E 钢在不同淬火温度下的SEM 图像。 由图 4 可知，淬火温度为 1020 ～ 1040 ℃ 时，组织中仍有未溶解的碳化物存在，因为在此温度区间某些碳化物不足以完全溶解到奥氏体基体当中，同时由于碳及合金元素因温度不足无法充分扩散均匀，导致组织分布不均匀，见图 4(a，b)。 随着淬火温度升高至 1060 ℃以上时，碳及合金元素的扩散迁移能力增强，碳化物充分溶解到奥氏体基体中，使组织更加均匀，见图 4(c);但是温度的升高也导致合金元素抑制晶粒长大的效果大大减弱，导致晶粒长大，从而使淬火后的马氏体组织出现粗化现象，见图 4(d)。

　　图 5 显示了淬火温度对 H13E 钢力学性能的影响规律。 根据图 5( a)的硬度曲线可知，H13E 钢的硬度随淬火温度的升高先增加后减小，在 1060 ℃ 达到峰值，为 61. 6 HRC。 1020 ～ 1040 ℃ 硬度较低原因是，组织中存在未溶解的碳化物，淬火后马氏体中碳含量较低，随着温度的升高，碳化物充分溶解，硬度随之升高。1060 ～ 1080 ℃硬度下降的原因是，组织中残留奥氏体含量增加，降低了 H13E 钢的硬度。

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　　由图 5( b)可知，H13E 钢的冲击吸收能量随着淬火温度的升高先少量增加后急剧降低，在1040 ℃达到峰值，为29. 54 J。 1020 ～1040 ℃冲击性能值上升的原因是，温度的升高令更多的碳及合金元素溶解到奥氏体基体当中，后续的回火处理则有更多的 VC、Mo2 C、Cr7 C3 等碳化物弥散析出[14]，阻碍位错的运动，提高 H13E 钢的冲击性能。但是，随着淬火温度升高至 1060 ℃后，晶粒长大，马氏体粗化，降低了 H13E 钢的冲击性能。

　　2. 2 淬火保温时间对显微组织及力学性能的影响

　　图 6 显示了加热至 1060 ℃ 保温不同时间油冷后的原奥氏体晶粒形貌及平均晶粒尺寸，从图 6( a ～ d)可以看出，随着保温时间的延长，奥氏体晶粒有长大的趋势，但不明显。 同时说明淬火温度较保温时间对奥氏体晶粒长大的影响更显著。当保温时间由 30 min 延长至40 min，H13E 钢奥氏体晶粒增长速率最快，晶粒尺寸增加约 4 μm，继续延长保温时间，晶粒长大速率趋于平稳。

　　加热至 1060 ℃ 保温不同时间油淬后 H13E 钢的显微组织如图 7 所示。 由图 7 可知，当保温时间在20 ～ 50 min 时，H13E 钢的组织由马氏体以及少量残留奥氏体组成，随着保温时间的延长，马氏体有一定粗化趋势，且残留奥氏体逐渐增多。

　　图 8 为不同的保温时间对 H13E 钢硬度和冲击性能的影响。 根据图 8(a)硬度曲线可知，当保温时间在20 ～ 50 min 时，保温时间对 H13E 钢的硬度影响不大。由于保温时间的增长，更多的碳溶入到奥氏体基体中，在冷却时发生马氏体转变，使得马氏体中的碳含量增加，H13E 钢硬度增加;但是另一方面随着保温时间的增长，钢中 Cr、Mo、V 等合金元素溶入到奥氏体基体中会导致奥氏体的机械稳定化，H13E 钢中残留奥氏体的含量增加，导致硬度降低。 所以在这两方面的共同作用下，最终使 H13E 钢的硬度随保温时间的增加变化并不显著。 由图 8(b)冲击吸收能量曲线可以看出，当保温时间在 20 ～ 30 min 时，保温时间对 H13E 钢的冲击性能影响不明显;当保温时间达到 40 min 时，冲击性能呈下降趋势，原因在于原奥氏体晶粒的长大以及马氏体出现粗化现象，从而使形成显微裂纹的倾向增大，影响 H13E 钢的冲击性能。

　　2. 3 冷却方式对显微组织及力学性能的影响

　　不同冷却方式的显微组织如图 9 所示。 由图 9 可知，油冷时，由于冷却速度较快，过冷奥氏体被迅速冷却至 Ms 点温度以下，发生马氏体转变，形成板条状马氏体，如图 9(a)所示，除马氏体外，组织中还有少量残留奥氏体。 空冷时，由于冷却速度较慢，在冷却过程中，过冷奥氏体向马氏体转变呈现迟滞，导致组织中的残留奥氏体含量较多。 通过对比可知，油冷时组织中的板条马氏体形态较空冷时的马氏体形态细小，因此，为了使淬火后得到更多的细小板条马氏体组织，H13E钢在油中冷却比较理想。

　　图 10 是不同冷却方式下 H13E 钢力学性能指标的柱状图。 可以看出，油冷试样的硬度较空冷试样的硬度大约 2 HRC，相较于油冷，空冷在马氏体转变温度时的冷却速度较慢，而空冷冷速的缓慢会引起奥氏体向马氏体转变动力减小，马氏体转变呈现迟滞现象，奥氏体稳定化程度加剧，空冷后试样组织中残留奥氏体的体积分数较多，导致 H13E 钢硬度的下降。 油冷试样冲击吸收能量较空冷试样的冲击性能值高大约2 J，原因在于油冷冷速较高，马氏体形核率较高，最终得到的马氏体组织更加细小，有利于冲击性能的提高。

　　3 结论

　　1) H13E 钢加热温度为 1020 ～ 1100 ℃时，奥氏体晶粒呈增长趋势，且在 1040 ～ 1060 ℃ 增长速率最快;硬度随加热温度的升高呈先增大后减小的趋势，并在1060 ℃达到峰值，可达 61. 6 HRC;冲击吸收能量随加热温度的升高同样呈先增大后减小的趋势，并在 1040 ℃ 达到峰值，为 29. 54 J。

　　2) H13E 钢在 1060 ℃ 加热保温 20 ～ 50 min 时，奥氏体晶粒在 30 ～ 40 min 增长速率最快，随后趋于平稳;硬度变化不明显，冲击性能值在 30 ～ 50 min 时呈下降趋势。

　　3) 油淬后 H13E 钢的马氏体组织更加细小，硬度和冲击吸收能量均比空淬试样高 2 HRC 和 2 J 左右。

　　4) 从材料的综合力学性能考虑，确定 H13E 钢较佳淬火工艺为 1060 ℃保温 20 ～ 30 min 后油冷。——论文作者：艾云龙1， 刘 哲1， 陈卫华1， 朱振涛2， 罗桂海3， 梁炳亮1

　　参考文献：

　　[1] 王 剑 锋， 迟 宏 宵， 刘 建 雄， 等. 热 处 理 工 艺 对 塑 料 模 具 钢10Ni2Cr2MnCuMoVAl 组织和性能的影响 [ J]. 钢 铁 研 究 学 报，2018， 30(1)： 59⁃65.Wang Jianfeng， Chi Hongxiao， Liu Jianxiong， et al. Effect of heattreatment on microstructure and mechanical properties of plastic moldsteel 10Ni2Cr2MnCuMoVAl[ J]. Journal of Iron and Steel Research，2018， 30(1)： 59⁃65.

　　[2] Gu J， Li J， Chang R， et al. Comprehensive effect of nitrogen on Cr⁃ Mo⁃V hot⁃working die steel with enhanced strength and toughness[ J].Materials Science and Engineering： A， 2019， 766： 138386.

　　[3] Ye C， Lu G， Ni L， et al. Effects of heat treatment on microstructureand mechanical properties of explosive welded 10CrNi3MoV steel⁃304Lstainless steel[J]. Materials Letters， 2020， 262： 127053.

　　[4] 黄 可， 丁仁华， 马雪峰， 等. 热处理工艺对 4Cr5MoSiV1 模具钢组织和硬度的影响[J]. 热加工工艺， 2019， 48(4)： 215⁃217.Huang Ke， Ding Renhua， Ma Xuefeng， et al. Effect of heat treatmentprocess on microstructure and hardness of 4Cr5MoSiV1 die steel[ J].Hot Working Technology， 2019， 48(4)： 215⁃217.

　　[5] 刘恒三， 祁晔思， 左玲立， 等. 新型 H13 基体钢的热稳定性[ J].材料热处理学报， 2020， 41(7)： 151⁃157.Liu Hengsan， Qi Yesi， Zuo Lingli， et al. Thermal stability of a novelH13 die steel [ J ]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2020， 41(7)： 151⁃157.

　　[6] 佟 倩， 马 跃， 孙齐松， 等. 国内外 H13 钢组织和性能对比分析[J]. 上海金属， 2020， 42(1)： 55⁃59.Tong Qian， Ma Yue， Sun Qisong， et al. Comparative analysis onmicrostructure and properties of H13 steel at home and abroad [ J].Shanghai Metals， 2020， 42(1)： 55⁃59.

　　[7] 王金国. H13 热作模具钢的热处理工艺研究[ J]. 中国金属通报，2017(11)： 121⁃122.Wang Jinguo. Heat treatment process for H13 hot⁃working die steel[J].China Metal Bulletin， 2017(11)： 121⁃122.

　　[8] 刘红燕. 回火处理对 H13 模具钢组织和性能的影响[J]. 热加工工艺， 2016， 45(10)： 243⁃245.Liu Hongyan. Influence of tempering treatment on microstructure andproperties of H13 die steel [ J]. Hot Working Technology， 2016， 45(10)： 243⁃245.

　　[9] 杨明亮， 赵作福， 霍宝阳， 等. H13 模具钢热处理工艺的研究进展[J]. 辽宁工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)， 2018， 38 ( 5 )： 311⁃ 314， 324.Yang Mingliang， Zhao Zuofu， Huo Baoyang， et al. Research progressin heat treatment process of H13 die steel [ J]. Journal of LiaoningUniversity of Technology (Natural Science Edition)， 2018， 38 (5 )：311⁃314， 324.

　　[10] Lee J， Choe J， Park J， et al. Microstructural effects on the tensile andfracture behavior of selective laser melted H13 tool steel under varyingconditions[J]. Materials Characterization， 2019， 155： 109817.

　　[11] 杨晓娟， 杜晓东， 汪瑞俊， 等. 镍、钼含量对低碳高合金钢组织和性能的影响[J]. 金属热处理， 2008， 33(11)： 48⁃51.Yang Xiaojuan， Du Xiaodong， Wang Ruijun， et al. Effects of nickeland molybdenum contents on the microstructure and properties of lowcarbon high alloy steel [ J]. Heat Treatment of Metals， 2008， 33(11)： 48⁃51.