H13热作模具钢中晶界碳化物的形成与控制*

马飞飞，周晓帆，高启新，段宝玉，杨凡，王海燕

(1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 分析测试中心，内蒙古 包头 014010)

热作模具钢常在高温条件下使用，尤其是常常用来制作热锻模具、压铸模具和热挤压模具等，其在工作时除了承受高温载荷外，还要承受急热急冷的服役环境.通常需要保证钢材具有良好的强度、硬度、韧性和抗冷热疲劳性等.作为热作模具的典型钢种，H13钢具有较高的经济性和在高温工况下优良的综合性能，因而受到研究者广泛关注[1-3]，为增强H13热作模具钢的耐磨性，研究者们做了大量研究，目前，低Si高Mo的合金化与加入Nb的合金化途径成为主要趋势[4-6]，在成分设计上满足H13钢对于红硬性，高强韧性，适合硬度的要求，配以合适的热处理工艺，从而获得细小均匀的基体组织，以及弥散分布的球化碳化物，由于H13钢中细小均匀的碳化物有析出强化和细晶强化的作用，而形成网状碳化物的尺寸、形貌以及数量等因素影响H13钢的使用寿命，因此，避免形成网状碳化物对热作模具钢的性能至关重要[7，8].

将针对性地制定2种热处理工艺，采用光学显微镜观察实验钢金相组织，利用扫描电子显微镜分析晶界处碳化物分布状态以及析出位置，并分析晶界网状碳化物的形成原因.

1 实验材料与方法

实验材料为H13钢，其化学成分为(质量分数，%)：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.将实验钢加热到1 050 ℃后，保温1.5 h充分奥氏体化后，关闭热处理炉，然后1号样在炉内随炉冷至600 ℃时取出空冷，2号试样随炉冷至800 ℃时取出空冷，根据热处理工艺不同，分别编号为1号钢和2号钢.将2种实验钢加工成10 mm×10 mm×10 mm的试样，经研磨与抛光后，用4%的硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下观察其金相组织，利用扫描电子显微镜分析碳化物分布情况，并对晶界网状碳化物的形成原因进行分析.

2 实验结果与分析

图1为实验钢退火态的金相组织图.可以看出，基体晶粒大小不一，组织不均匀，颜色较黑位置为碳化物聚集区域，碳化物数量较多，尺寸细小，浅色区域为贫碳区.基体中的碳化物以退火态球状碳化物均匀分布，晶界处的碳化物以球状碳化物独立存在，未构成网状碳化物.

采用扫描电子显微镜进一步分析，如图2(a)所示，基体晶粒大小均匀，晶内弥散分布着颗粒状碳化物.进一步放大看出，晶界聚集了较为粗大的碳化物颗粒，但彼此独立存在，并未相连形成条状或网状，如图2(b)所示.

图3(a)与(b)分别为实验钢在炉内冷至600和800 ℃空冷后的金相组织照片.可以看出，在1号工艺试样中，晶界处并没有发现碳化物颗粒连接成线，网状碳化物等级为零级，而2号工艺试样的金相组织中，晶界处发现连成条状的碳化物.

实验钢在热处理过程中，晶界处形成先共析二次碳化物，淬火时不能完全消除，会使零件的脆性增加，承受载荷的强度和韧性降低[9，10].

进一步采用扫描电子显微镜进行深入观察.图4为实验钢在经不同工艺热处理后的SEM图片.H13钢的Ar1，温度应为700 ℃左右.图4(a)表明，对于炉冷至低于600 ℃后进行空冷的1号试样，其碳化物呈粒状均匀分布.对于炉冷至高于800 ℃后进行空冷的2号样，可以看到晶界处出现了大量网状碳化物，将基体晶粒割裂开来，如图4(b)所示.

研究表明，如果退火组织出现网状结构，在淬火加热的过程中，即使奥氏体化时网状碳化物溶入了基体，也会有少部分保留下来，网状碳化物的析出位置大部分在晶界出现，在使用过程中，网状碳化物容易形成裂纹源，使实验钢的耐冲击韧性降低，脆性增加，工件在使用过程中承受冲击载荷时易产生脆裂现象[11，12].

由上述分析可以推断，Ar1温度附近是网状碳化物形成的临界转变温度.因此，在H13钢的热处理与轧制锻造过程在Ar1(700 ℃)温度以上，且不应有较大的过冷度，以防止网状碳化物的析出.

网状碳化物的形成与钢的化学成分和钢锭中碳化物偏析程度有密切关系，其实质为实验钢中Cr，Mo，V等合金元素在凝固过程中极易发生偏析，进而与碳元素反应生成碳化物，钢锭中碳化物偏析程度越大，碳化物密集区域越容易出现网状碳化物.若工件中出现网状组织，可通过高温正火+球化退火来消除，正火温度在940 ℃左右[13].或通过高温固溶处理，溶解更多的合金碳化物,也可改善成分偏析的现象，使碳化物溶解至基体中，这样就避免形成有害钢件性能的网状碳化物.

3 结论

(1)在预设的2种热处理工艺下，实验钢经奥氏体化并炉冷至Ar1附近不同温度后，在1号工艺试样中，晶界处并没有发现碳化物颗粒连接成线，网状碳化物等级为零，而2号工艺试样的金相组织中，晶界处发现了大量网状碳化物，将基体晶粒割裂开来.

(2)Ar1温度附近是网状碳化物形成临界转变温度，在H13钢中热处理与轧制锻造过程应在Ar1(700 ℃)温度以上，且不应有较大的过冷度，以防止网状碳化物的析出.