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H13钢热处理工艺的优化
王庆亮1，陈汉辉1，续 维1，吴晓春2，闵永安2
（1,宝钢集团上海五钢有限公司制造管理部,上海 200940 2，上海大学，上海，200720）
摘要：高温均质化、超细化处理是优质H13钢模块生产中的关键技术。高温均质化处理可基本消除钢中的共晶碳化物，显著改善成分偏析；超细化处理可使H13钢组织得到细化，并进一步提高组织、性能均匀性。采用高温均质化处理和超细化处理，可以使H13钢等向性明显改善，冲击韧性、热疲劳抗力显著提高。
关键词： 热作模具钢；高温均质化；冲击韧性；热疲劳
Improvement on Heat Treatment Technology for H13 Steel
WANG Qing-liang1，CHEN Hanhui1，XU Wei1， WU Xiao-chun2，MING Yong-an2
(1, Baosteel Group Shanghai No.5 Steel Co., Ltd. ; manufacturing management department,shanghai 200940,china
2, Shanghai University shanghai 200940,china 2,)
Abstract: Both high temperature homogenization treatment and superfining treatment are key techniques in the production of quality H13 die steel block. High temperature homogenization treatment can basically eliminate eutectic carbide and dramatically improve the segregation in steel. Superfining treatment can fine the microstructure of H13 die steel and further improve its uniformity of both microstructure and performance. H13 die steel produced in the new process flow route has been well-improved in anisotropy, impact toughness and thermal fatigue.
Key Words: hot working die steel, high temperature homogenization, impact toughness, thermal fatigue
1. 背景
我国自上世纪八十年代引进H13钢以来，许多钢厂都能生产H13钢。目前H13钢是国内外应用最广泛的热作模具用钢。当前国内H13钢的生产是按GB/T1299-2000标准，该标准仅规定了H13钢的低倍、硬度、脱碳层性能指标，而对热作模具钢使用性能影响较大的显微组织及冲击韧性等关键指标却没有提及。造成国内特殊钢生产企业普遍不重视对钢材显微组织的控制，以致国产H13钢的质量大体上不尽如人意，尤其是大型模块，偏析比较严重，存在粗大共晶碳化物，二次碳化物网状析出严重，模块心部较表面更为显著[4]，而同样进口的优质H13钢材质均匀，碳化物弥散分布、细小均匀，具有良好的等向性能与热疲劳性能，虽然价格比国产H13钢高出2倍以上，但一直占据着国内高档H13模具钢市场的主导地位。
H13钢的理想组织状态是没有共晶碳化物和晶界碳化物，以及无显微偏析的均匀的显微组织。共晶碳化物主要是在凝固时产生，会造成应力集中，是潜在的热疲劳裂纹源。可以通过高温均质化消除或缩小。晶界碳化物一般是在锻后空冷过程中沿晶界析出的二次碳化物，严重时呈链状或网状分布，破坏组织均匀性，可以通过锻后超细化处理消除。本文研究内容就是，利用热处理技术，消除H13钢共晶碳化物，改善成分偏析，使碳化物弥散分布来，细化组织，以改善材料性能，减少各向异性，进一步提高H13钢的服役性能。
2. 试验材料及试验方法：
2.1 高温均质化试验：
在φ660mm H13电渣锭头部取样，进行1200℃以上高温均质化试验。
2.2 超细化处理试验：
在150mm×500mm H13钢模块上取样，其中一组采用传统的球化退火工艺；另一组经过超细化处理工艺技术（1050℃以上固溶处理＋快速冷却＋等温球化退火）。
2.3 组合性能测试试验：
取两支φ660mm H13电渣锭，一组采用传统工艺进行锻造和退火处理，一组采用高温均质化＋锻造＋超细化处理，对模具钢冲击性能和疲劳性能进行对比测试。
1＃工艺（传统工艺）：电渣锭加热→锻造成材150mm×500mm→球化退火
2＃工艺（增加特殊热处理）：电渣锭加热→高温均质化处理→锻造成材150mm×500mm→超细化处理
3. 试验结果：
3.1. 显微组织：
(b) 高温均质化后组织
图1 高温均质化前后组织比较
普通H13钢电渣锭金相分析表明，在电渣锭头部，不但有共晶碳化物，而且成分偏析严重，存在大量二次碳化物，有些二次碳化物呈链状分布。经过高温均质化处理后，成分偏析获得改善。
(a) 未超细化处理组织 ×500 (b) 经过超细化处理组织 ×500
图2 超细化处理与未经超细化处理的组织对比
采用传统退火工艺生产的H13钢二次碳化物沿晶析出，呈链状或网状分布；采用超细化处理的H13钢二次碳化物弥散分别，细小均匀。
3.2. 成分偏析：
H13钢高温均匀化前后Cr、V元素的微区成分分析
经过在1200℃以上的高温长时间的保温，H13钢成分偏析得到改善，成分更加均匀。通过对H13钢高温均匀化前后元素微区成分分析，Cr、Mo、V合金元素的成分上下波动幅度较小，如图3所示。
3.3 冲击韧性
按照北美压铸协会对优质H13钢的验收标准NADCA＃207标准进行制备，为7mm×10mm×55mm无缺口试样。试样经1025℃±10℃保温30分钟后油淬，二次高温回火后获得44HRC～46HRC的硬度。
传统工艺H13和特殊热处理H13冲击性能比较
图4表明，采用高温均质化＋超细化处理的H13钢各向冲击韧性均有不同程度的提升，尤其是横向性能指标提升很大。横纵向冲击韧性之比从0.14～0.63提升到0.80以上，显示出良好的等向性能。这是由于H13模块的组织性能得到提高，基本避免了共晶碳化物和二次碳化物，提高了组织均匀性。
3.2 热疲劳性能
采用Uddeholm热疲劳试验方法对比研究了传统工艺H13钢和特殊热处理H13钢模块心部试样的热疲劳性能。图5为热疲劳试样示意图。所有热疲劳试样均经1020℃真空淬火和600℃回火两次获得约48HRC的硬度，采用高频感应加热装置加热和自来水喷射冷却使试样表面温度在20~700℃之间循环。循环一定周次后后用稀盐酸溶液清洗，洗去表面氧化层后在体视显微镜观察裂纹的形成和发展。
当热疲劳循环次数较少时，传统工艺H13钢和特殊热处理H13钢的热疲劳裂纹形貌差别不大，均为细小的微裂纹，但循环次数超过2000次后，传统工艺H13钢试样的热疲劳裂纹扩展速度明显快于特殊热处理H13钢试样，并且相互平行，沿一定方向不断扩展；而特殊热处理H13钢试样的热疲劳裂纹分布比较均匀，主裂纹宽度小，裂纹呈网状分布（见图6），分布比较均匀，裂纹扩张速度减慢，显示出了良好的热疲劳性能。
3000周次后不同H13试样表面的热疲劳裂纹
4. 讨论：
4.1 高温均质化
大块共晶碳化物和严重偏析将显著降低H13钢中的塑韧性指标[7]，尤其是模块心部横截面方向的性能，这是造成模块低等向性的重要因素。这类电渣锭经热加工、退火后呈贫碳区与富碳区交替分布的带状组织。成分偏析也将给模具热处理带来不便，容易出现晶粒大小不一的混晶现象[8]。
钢液凝固时的选分结晶行为是造成H13钢偏析和共晶碳化物生成的主要原因，提高钢液凝固冷速可以减轻上述缺陷，所以冷速较大的电渣锭尾部组织的这类缺陷较头部少，由于结晶条件所限，H13钢电渣锭头部的这类缺陷很难避免。
X射线衍射分析表明（图7）[4]，H13钢中主要碳化物类型有（Cr,Fe,Mo,V）23C6、（Cr,Fe,Mo,V）7C3、VC等。其中M7C3型碳化物颗粒较为粗大，通常在共晶时产生，称之为共晶碳化物，这类碳化物较强的聚集强度和较高的硬度（HV1600～1800），在传统的锻造加热及模具热处理过程中难以溶解，需要进行专门的高温扩散处理加以改善。
图7 H13试样电解萃取碳化物X射线衍射谱
在固体中，扩散是物质传输的唯一方式。影响扩散的因素很多，由扩散第一定律可以看出，单位时间内的扩散流量大小取决于两个参数，一个是扩散系数，一个是浓度梯度。其中温度是影响扩散系数的最主要因素，温度越高，原子的振动能越大，因此借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。此外，温度越高，金属内部的空位浓度提高，也有利于扩散。Cr7C3型碳化物开始溶入奥氏体的温度为950～1050℃，但要完全溶入则需要一定的保温时间和更高的加热温度，而这个温度又不能引起钢的过烧。经过试验，获得了比较合理的高温均质化工艺，经过实际生产验证，可以基本消除共晶碳化物，改善成分偏析。
4.2 超细化处理
经过高温质均化处理H13钢，虽然基本消除了共晶碳化物，但经过高温阶段的长时间保温，容易在锻造后出现魏氏组织、粗大晶粒等组织缺陷。为降低模块开裂风险，模块锻后一般采用较缓慢的速度冷却，所以大型热作模块锻后心部组织中二次碳化物会沿晶析出形成碳化物链，严重时会形成网状碳化物。上述这些缺陷采用一般的退火工艺难以消除。针对H13钢的相变特点，相应开发了专门的组织超细化热处理工艺，改善锻后组织，提高H13钢的组织、性能均匀性。
H13钢模块锻后超细化处理，通过重新奥氏体化和二次碳化物的溶解来提高组织均匀性，通常Cr23C6开始溶入奥氏体的温度为900～1000℃，但由于Mo、V的存在，使（Cr,Fe,Mo,V）23C6开始溶入奥氏体的温度升高到1000～1020℃[9]。通过合理的奥氏体化工艺参数的制定，即保证了二次碳化物的重溶，又使锻后组织得到了细化。在随后的冷却过程中，通过关键温度区间冷却速度的控制，基本抑制了二次碳化物的沿晶析出，并在随后的热处理工序中，使碳化物弥散均匀地分布在铁素体上（如图3所示）。
H13钢模块的超细化处理，不仅为用户的模具机械加工作了组织准备，也为优良的淬回火组织的获得奠定了基础。其中作用类似于为提高热作模具的强韧性而进行的预备热处理，而预处理对热作模具钢组织的改善和力学性能的提升具有相当重要的影响[10]。
4.3. 对H13钢的性能影响的研究
H13钢在使用过程中主要的失效形式为开裂失效和热疲劳失效。一般采用淬回火态冲击韧性和热疲劳寿命指标进行衡量。
经过均质化和超细化处理，基本消除共晶碳化物，改善成分偏析，获得表里均一的组织，显著提高模块心部的力学性能，使冲击功横纵比达到0.8左右，减少了模具因为心部强韧性不足引起的开裂失效
热疲劳裂纹通常形成于模具型腔表面热应力集中处，随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂纹间相互连接形成严重的网络状裂纹而导致模具失效。H13钢中材质不均匀，存在粗大碳化物和碳化物网、链时，热疲劳裂纹主要在这些第二相处首先出现，并且扩散速度较快，带有方向性；并当钢材材质纯净度提高，无碳化物这类裂纹源时，则热疲劳裂纹一般在晶界处萌生。热疲劳裂纹一旦形成，将随着循环次数增加不断扩展，且裂纹尖端沿着晶界扩展，形成网络状均匀的裂纹，甚至形成二次、三次裂纹，吸收了应力能量、减缓了扩散速度，提高了热疲劳寿命。
5. 结论
5.1 高温均质化处理可基本消除H13钢电渣锭组织中的块状共晶碳化物，并显著改善钢中的成分偏析。
5.2 超细化处理细化了H13模块的锻后组织，抑制了二次碳化物的沿晶析出，改善了碳化物的分布，进一步提高了H13钢的组织性能均匀性。
5.3 采用高温均质化、超细化热处理技术生产的H13钢的组织性能得到大幅度提升，关键的冲击韧性横纵向达到0.80以上，显示了良好的等向性能；由于组织性能均匀性的提高，所以形成均匀的网络状裂纹，并显示了良好的抗热疲劳抗力。
参考文献
[1] 徐进，陈再枝等，模具钢，冶金工业出版社，1998.10.
[2] 许珞萍，吴晓春，闵永安，提高模具钢质量的系统控制，热处理，16 (4)，2001，p12-15.
[3] 徐明华，模具钢市场和发展，上海金属，2003，25（6）：25－29
[4] 吴晓春等，“高品质优质热作模具钢的研制”研究报告，上海大学，2001。
[5] Gehricke, U. Reichel, Consideration of international specifications concerning hot-work tool steels, Proc. 5th International Conference on Tooling: Tool Steel in the Next Century, Leoben, Austria, Sept.29 -Oct.1, 1999, p569-582.
[6] NADCA Die Materials Committee, NADCA #207-97 Premium Quality H-13 steel Acceptance Criteria for Pressure Die Casting Dies，1997.
[7] H. Jesperson, Toughness of tool steels, Proc. 5th International Conference on Tooling: Tool Steel in the Next Century, Leoben, Austria,Sept.29-Oct.1,1999,p93-102.
[8] 刘云旭，低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除 [J].金属热处理.2000,Vol.25(12):1-3
[9] 章守华，合金钢，北京：冶金工业出版社，1981.
[10] 刘静安，预处理工艺对4Cr5MoSiV1钢组织和力学性能的影响，轻合金加工技术，1999，Vol.27,No.12,p23-26.
