H13模具钢金相组织分析

热作模具钢H13的显微组织金相分析
摘要：按照北美压铸协会提出的优质压铸模H13钢验收标准NADCA# 207-90和H11、H13及改良型钢的显微成分偏析验收参考图谱对H13某国产钢进行显微组织分析，并对其真空淬火显微组织进行研究。

关键词：热作模具钢；热处理；显微组织
1前言
H13钢在淬硬条件下具有较高韧度，并具有优良的抗热裂能力，是一种强韧兼有的空冷硬化型热作模具用钢。

它适用于制造压铸模、挤压模、热切边模、热锻模的热冲孔模具等。

H13钢在我国为4Cr5MoSiV1钢。

德国的DIN1.2344，瑞典的SS142242，法国的AFNORZ40COV5和日本的JISSKD61与之相类似。

众所周知，影响模具寿命的最重要因素是热作模具钢的质量。

现在，描述热作模具钢的质量主要通过显微组织分析。

评定显微组织的标准广泛采用北美压铸协会模具材料委员会编的《压力铸造模具用高级H13钢的验收标准》NADCA#207-90。

新近研究的显微带状组织验收参考图谱更能说明钢材力学性能和模具寿命的关系。

因而，它们是对材料进行金相评级的重要依据。

本文从这两方面着手对一种国产H13钢进行显微组织分析，并对这种材料的真空淬火显微组织作研究。

2按NADCA的分析
按照NADCA#207-90标准，一般试样都在退火态下进行推测。

2.1 材料化学成分：
国产H13钢的化学成分分析结果列于表1。

表中还列入ASTMA681(最新修订版)中H13钢和NADCA#207-90中高级H13钢的化学成分，表中列入的4Cr5MoSiV1钢为GB/T1299-2000《合金工具钢》中规定的相当于H13钢的成分。

降低钢中含硫量对提高H13钢的纯净度，从而改善其性能具有重要意义。

文献[3]介绍，硫的质量分数<0.014%时可以大大提高钢件的断裂韧度KIC值。

国外电渣重熔优质H13钢的含硫质量分数控制在0.005%～0.008%范围。

在此，国产电渣重熔钢H13R尚有待提高。

2.2 纯净度：
NADCA#207-90规定，钢中非金属夹杂物含量等级测定按ASTME-45-97(最新修订版)中方法A进行。

它基于瑞典Jernkontoret方法来评定非金属夹杂物，应用JK评级图。

评级按夹杂物形态(不依据夹杂物成分)和分布分四种基本类型，记为A、B、C和D，并据夹杂物厚度或直径分粗细两种系列，对粗系以字母e表示。

国产H13R钢试样实际测定结果见表2，以试样中最严重的视域为依据，结果表明该钢的纯净度略有超差。

表中允许等级为NADCA#207-90的规定。

为此比较，相应列入进口2344(德国)、W302(奥地利)的H13钢的测定值。

2.3 退火态硬度：
NADCA#207-90标准规定，H13钢交货时退火态硬度不应高于235HB。

在ASTMA681-94标准中规定退火态和冷拉态的最
高硬度为235HB和262HB。

国产某H13R钢及循环退火、高淬高回工艺进行预处理试件测定硬度值列于表3。

为便于比较，也列
入进口2344和W302钢的相应测定值。

2.4 退火显微组织
H13钢供货态退火显微组织为铁素体基体上均匀分布着球状合金碳化物。

NADCA#207-90标准按钢材等级和尺寸验收合格级别相差相当大。

国产某H13R钢的退火态显微组织示于图1中。

铁素体基体在有的区域呈位向分布，在有的区域呈等轴状分布，细点状合金碳化物分布不匀，铁素体晶界上二次合金碳化物析出较多，有的晶界上几乎呈链状析出粒状和细杆状碳化物。

这种分布按GB1299-2000标准中第二级别图评定为≥4级，合格应不大于2级。

按NADCA#207-90标准，图1示的组织应评为不合格。

国产钢经循环退火和高淬高回(真空炉中进行)预处理试件显微组织见图2(a)和(b)。

按图2(a)言，铁素体位向逐渐趋于等轴状，碳化物均匀分布程度有提高，但晶界上仍有呈链状析出的碳化物。

按图2(b)言，铁素体基体仍保持着马氏体和粒状贝氏体(见图4.)的位向，粒状合金碳化物分布较为均匀。

按NADCA#207-90标准，图2(a)评为不合格；图2(b)评为基本合格，但不符合优质H13钢要求。

图1 H13R钢退火态显微组织(×500)
图2 H13R循环退火(a)和高淬高回(b)显微组织
a)×500 b)×500
2.5 晶粒大小：
NADCA#207-90标准对晶粒大小测定有特殊规定，但也可按一定工艺处理的金相检验试样采用ASTM比较法，沿用标准为ASTME-112，晶粒大小应在7级以上。

本文对实际处理试样作晶粒度测定，结果见表4。

测定时试样的放大倍数为400，换算成放大100倍时的晶粒度值。

2.6 热处理特性：
NADCA#207-90标准规定：厚度不大于25.4mm的H13钢件经1010℃(1850u)奥氏体化后空冷，其最低硬度应达到50HRC。

国产某H13R钢1#和2#实际工件厚度180mm，经1030℃奥氏体化，在真空炉中气淬后，测定硬度值为40～45HRC。

其中，1#工件硬度值较低。

3微观带状组织分析：
国产某H13R钢显微组织中存在枝晶偏析，在锻造中未加以消除，有些较粗球状合金碳化物聚集分布呈一定带状偏析。

这在图1和图2的退火显微组织中可窥见一斑。

国产H13R钢1#试样低倍形貌示于图3，对照新研制的参考图谱可评为第2行E列，偏析级别虽属合格，但离普通级别和优质级别压铸模具材料尚有较大距离。

此外，应注意，图中可看到共晶碳化物的存在。

含较多合金元素的H13钢属过共析钢，理应不会出现共晶碳化物。

但它与高碳低合金工具钢中出现碳化物液析类似，由于碳和合金元素偏析，特别是铬的作用，会在组织中出现非平衡的亚稳定共晶碳化物。

参照YB9-68《铬轴承钢技术条件》中第九级别图，该试样评为一级。

组织有的共晶碳化物呈多边形，但不具有锋利锐角，有的略呈链状分布。

这种组织如较严重会使模具提前失效。

图3 H13R1#工件低倍组织形貌(×50) 图4 H13R钢高淬高回试件中粒状贝氏体形貌×500
4淬火显微组织分析：
国产某H13R钢1#和2#实际工件经1030℃奥氏体化，在真空炉中气淬后发现：1#件晶界部位出现索氏体，相应硬度较低些，马氏体针长按JB/T8420-96《热作模具钢显微组织评级》标准评为2级；2#件淬火硬度较高，马氏体针长评为3～4级。

通常，热作模具钢的马氏体针级别以2～4级为宜。

对高淬高回预处理(淬火温度1050℃)试样的显微组织仔细观察，铁素体有相当部分呈一定位向平行排列，并存在呈正三角形位向分布情况(见图4)。

这实际上预示试件真空淬火中获得了一定量的粒状贝氏体组织，这种组织会导致试件冲击韧度值出现较低的现象。

对粒状贝氏体，朱钰如等[4]已作了一定的研究；李炯辉等指出，粒状贝氏体中铁素体是类似魏氏组织的铁素体[5]。

我们曾对35CrMo钢中粒状贝氏体类别及其对冲击韧度影响作了较深入的工作[6]。

在过共析的H13钢中出现粒状贝氏体组织尚未见报导。

俞德刚指出，粒状贝氏体仅发生在含有降低奥氏体中碳活度的合金元素的钢中，如含Cr、Mo和V的钢[7]。

看来，H13钢正是这样的一种钢。

关于粒状贝氏体及其对材料韧度影响的进一步研究工作在进行中。

5结论
5.1 国产某H13R钢纯净度稍超差，退火态显微组织不合格，带状偏析合格。

5.2 H13R钢循环退火试样显微组织比上述有改进，但仍不合要求。

5.3 H13R钢高淬高回预处理试样显微组织中铁素体相当部分仍保留马氏体和粒状贝氏体形态，合金碳化物较均匀析出，基本符合要求。

5.4 H13钢1#件真空淬火组织中出现屈氏体；马氏体针长2级，符合JB/T8420标准要求。

5.5 H13钢2#件真空淬火组织中马氏体针长3～4级，符合JB/T8420标准要求。

表8 H13钢的淬火、回火组织评级
H13热处理要点
及其金相组织
H13 模具钢球化退火组织：点状或球状珠光体+少量网状分布的二次碳化物2级(500X) 球化退火工艺:880℃保湿3h，炉冷到740℃保湿3h，炉冷到500℃以下出炉空冷。

热处理要点：1.务必确保球化转变温度740℃保温3h；
2.务必炉冷至500℃以下才能出炉空冷。

H13 模具钢1040℃淬火组织：马氏体（针状、板条状）+残余奥氏体+弥散分布的碳化物+少量针状下贝氏体(500X)
H13 模具钢1050℃淬火+560~600℃三次回火组织：回火马氏体（细针状）+回火托氏体+残余碳化物(500X)
（注：该图片金相组织中含较多的残余奥氏体，淬火时冷却速度过慢，马氏体转变不完全。

）
JB/T 8420-1996 2级隐针状马氏体+极少量残余奥氏体500X JB/T 8420-1996 3级细针状马氏体+少量残余奥氏体500X
JB/T 8420-1996 4级针状马氏体+残余奥氏体500X JB/T 8420-1996 5级较粗大针状马氏体+较多残余奥氏体500X
一般合格级别为JB/T 8420-1996 2~4级。