锻造变形方式对H13钢退火组织和力学性能的影响分析

张力民 唐山志威科技有限公司

一、试验材料与方法

试验材料取自电渣重熔的H13钢锭的芯，直径为300 mm，尺寸为150 mm×150 mm×200 mm。两种锻造和变形方法用于冲压测试材料。将锻件球化在860℃退火，然后以小于或等于30-40℃ / h的速度缓慢冷却至500℃退火后的钢锭。取样以观察带材在纵向芯中的偏析并测试退火过程中的硬度；将退火的钢锭进行淬火和回火，该过程是在1030℃保温30分钟，然后进行空冷淬火，在水平和纵向中心进行600℃×4 h的双回火。从零件中取出三个夏比V型缺口冲击试样。尺寸为10mm×10mm×55mm，用450J摆式冲击试验仪测量冲击能，并计算出横向和纵向的冲击能之比。使用4%的乙醇硝酸腐蚀金相样品，并使用Axio Observer A1m Zeiss显微镜和Ultra 55场发射扫描电子显微镜观察和研究显微组织[1]。

二、测试结果与讨论

（一）铸造结构

铸造后H13钢的组织。电渣重熔用H13钢制成的型芯的树枝状晶体尺寸异常大，取向也不明显。在它们之间有大量明亮的白色共晶碳化物条纹。电渣固化在此过程中，基础溶液的过冷度较低，固化速率相对较低，导致型芯中的树枝状晶体相对较大。在凝固的后期，碳和合金元素在树枝状结晶之间不断富集，钢水达到共晶成分。当发生共晶反应时，大量的初级共晶碳化物直接从液相中沉淀出来。树枝状偏析和共晶碳化物会降低材料的成分和均匀性，并且是影响碳化物形态和退火组织的冲击特性的重要因素。

（二）锻造变形方法对共晶碳化物的影响

共晶碳化物是一种主要碳化物，直接从树枝状晶体之间的残留液相中沉淀出来。它是亚稳态的共晶莱氏体，共晶碳化物的熔点非常高。它具有高硬度和高脆性，难以通过热处理除去。这是H13钢中热疲劳裂纹的典型来源。锻造处理可以有效地破坏带状共晶碳化物，从而改善共晶碳化物的形态和分布。腐蚀后可以观察到黑色样品中带有的颜色为白色并且含亮光的共晶碳化物。在使用两种锻造方法的锻造坯料的退火结构中存在一定数量的共晶碳化物。“一次沉积，一次拔出”，共晶碳化物的尺寸较大，周围没有尖角，并且周期性地分布在黑色条纹上；“拉深时的三个支柱和三次拉拔”，共晶碳化物的大小很少，而且很小，它们分布在黑条中。尝试分析原因，锻造处理对铸锭的核心结构和枝晶之间的偏析区具有非常好的精炼效果。同时，共晶碳化物也会分解并溶解。“三沉三拔”的锻造比大于“一镦一拔”的锻造比。锻件的变形更充分，共晶碳化物的破坏程度更大。此外，还有“三下沉”拉深变形的过程更加复杂，因此，锻造点火次数增加，并且在高温下断裂后的共晶碳化物的溶解时间持续更长的时间，从而导致碳化物数量的减少，共晶碳化物的尺寸变小，数目变少[3]。

（三）冲压变形方法对退火组织碳化物形态的影响

H13钢的退火组织应为粒状珠光体组织。作为淬火和回火的初步结构，退火结构中碳化物的形态，尺寸和分布直接影响所用材料的机械性能和使用寿命。碳化物的形态在锻件的结构中经锻造退火。经过“一塌落一拉”后，退火组织中的碳化物尺寸不均，圆度差，在晶界处有许多小颗粒长片状碳化物；在“三个沉积物和三个拉伸量”之后，退火结构中碳化物尺寸的均匀性得到改善。晶界明显减少，碳化物均匀分布在铁素体基体中。尝试分析原因，铸锭的树枝状结晶之间的成分分离很严重。既有耐火的共晶碳化物，也有大量的次生碳化物。这些次级碳化物在凝固时结合并生长。它们具有数量少，尺寸大的特点。锻造对树枝状晶间较大的二次碳化物的破碎作用类似于共晶碳化物。锻造程度越深，锻造变形越大，大尺寸次生碳化物的破碎效果越好，在晶界处残留的条状碳化物越少，碳化物的尺寸和分布越均匀。

（四）锻造变形方法对力学性能的影响

在退火状态以及在淬火和回火状态下的测试钢的机械性能。退火后的硬度与235 HB相近且远小于235 HB，淬火和回火钢的硬度在45～48 HRC范围内。其中，“一拉”后的淬火回火状态的横向和纵向硬度分别为47.2 HRC和45.5 HRC，两者之差为横向和纵向硬度为1.7 HRC。在“三个沉积物和三个拉伸”之后的硬化和回火状态下的横向和纵向硬度分别为47.7 HRC和46.8 HRC，横向和纵向硬度值之间的差是0.9 HRC。在硬度均匀性方面，“三个沉降和三个拉伸”可以减小样品水平和垂直方向之间的硬度差。比较其冲击特性，可以看出，“一镦一拔”后在淬火和回火状态下的水平和纵向冲击能分别为6.34 J和7.52 J，水平与垂直冲击能之比为0.84。在“三沉三拉”之后进行调整。横向和纵向冲击的定性能量分别为9.06 J和9.85 J，横向和纵向冲击的能量之比为0.92。根据NADCA标准207-2003，高质量H13钢的平均冲击韧性不小于8.2 J，且横向冲击能量与纵向冲击能量之比不少于运行要求规定的0.8。偏析分布，改善了退火组织中碳化物的尺寸和分布的均匀性，提供更均匀组成的制备结构，并减少了由带状结构引起的材料机械性能各向异性。

三、结论

（1）与“一镦一抽”相比，使用“三沉积三抽”后，H13钢带的偏析明显降低，退火后的碳化物尺寸更均匀，分布更分散，并且在淬火和回火良好状态下的横向和纵向韧性显著提高了性能。

（2）锻造变形方法对H13钢的退火组织和力学性能影响很大。 “三沉降三拉伸”显著改善了机械性能，因为反复的锻作增强了材料核心的压实效果，使材料在各个方向上完全变形，心脏组织和碳化物得到了进一步的细化。

（3）“三镦三抽”可以大大提高H13钢的均匀性和力学性能，是提高H13钢质量和使用寿命的最佳热变形方法。