高温正火对H13钢锻造后显微组织的影响

H13钢具有高淬性、优异的耐磨性和耐热性，在600℃以下仍能保持较高的硬度和强度，同时还具有优异的冷热疲劳性能和良好的回火稳定性。它广泛应用于铝、铜及其合金的压铸模具，具有显著的经济效益。然而，该公司生产的H13组件在试生产过程中出现了表面开裂、球化不完全和组织不均匀等问题。本文介绍了一种高温正火后球化退火工艺，以提高组件质量并获得均匀的组织。

1. 在原型开发过程中发现了一些问题。

实验模块采用H13钢材制造，尺寸为400 mm × 1000 mm × 3000 mm，最终锻造温度约为950℃。由于未及时进行锻后热处理，模块在空冷至室温后出现表面裂纹，并延伸至模块内部。分析表明，H13钢为可淬硬钢，这意味着其马氏体组织在空冷过程中形成。锻后空冷过程中产生的大量微观组织应力导致了模块表面裂纹的产生。

为防止开裂，H13钢模块锻造后直接在炉内进行慢速冷却，随后进行球化退火。球化退火后，使用布氏硬度计测量模块硬度；测试了三个样品，每个样品取八个点进行硬度测量（见表1）。如表1所示，硬度总体上满足要求，但由于硬度波动较大，均匀性不佳，个别点的硬度超过了规定的限值（≤220 HB）。模块的金相分析结果如图1所示。

图1显示了等温球化退火后的显微组织，球化过程包括一个870℃、8小时的高温阶段和一个730℃、14小时的低温阶段。图1(a)中，可以明显看出严重的碳化物网络偏析和显著的晶粒混合。图1(b)显示了大量的分散碳化物颗粒，表明球化效果达到了预期目标；然而，偏析现象仍然显著，部分碳化物形成网状分布，降低了这些区域的球化效果。网状碳化物对模具钢构成严重威胁，因为它们在使用过程中很容易成为裂纹源，导致材料失效。因此，必须将此类碳化物网络控制在可接受的范围内。本研究对存在严重碳化物偏析的H13钢批次进行了高温正火处理，随后进行等温球化退火，以评估其在这些条件下的显微组织改善情况。

2 实验材料和方法

从出现严重偏析的模块中取小样进行光谱分析，其化学成分如表2所示。该H13钢的化学成分符合GB/T 1299-2000《合金工具钢》标准。将模块分为三组，分别在970℃下进行高温正火处理，保温时间分别为5小时、7小时和10小时。热处理工艺包括高温正火（空冷）和等温球化退火。等温球化退火参数为：高温阶段870℃保温8小时，低温阶段730℃保温14小时。基于高温正火时间对模块显微组织的影响，开发了一种新的热处理工艺。

经过5小时高温正火处理后，偏析程度（见图2(a)）较图1有显著改善，但仍存在偏析现象。当正火保温时间延长至7小时时，偏析现象几乎完全消除；然而，碳化物网络仍然相对清晰，细小的二次碳化物网络在奥氏体化过程中完全溶解于基体中，而粗大的碳化物网络则不溶——根据北美压铸协会（NADIA）标准，这属于不合格类别。保温时间延长至10小时后，大部分碳化物网络消失，仅留下最初的粗大碳化物网络。随后的球化退火处理获得了更加均匀的球化组织，使材料达到NADIA标准的AS4级，并满足验收标准。分析表明，高温正火处理能够有效消除偏析，并改善碳化物网络的形貌和分布。随着保温时间的增加，碳化物颗粒逐渐溶解，导致偏析和碳化物网络逐渐消除，从而显著改善材料的微观结构。

H13钢锻造后，由于最终锻造温度过高和冷却速度过慢，容易形成粗晶。作为一种过共析钢，H13在缓慢冷却过程中会发生网状二次碳化物析出，其高合金含量不可避免地会导致材料偏析。为了改善H13钢模块的锻造后显微组织，建议进行高温正火处理以获得均匀的显微组织。

为了消除网状碳化物，工件必须加热到足以溶解二次碳化物的温度。然而，球化退火温度（870℃）不足以实现这种溶解。因此，如果没有高温正火处理，碳化物网络难以去除，偏析也无法改善，导致H13模块未能达到标准。高温正火处理后，细小的碳化物颗粒完全溶解到基体中，碳化物网络逐渐细化直至断裂，显微组织变得更加均匀。正火保温期结束后，快速空冷可防止网状二次碳化物的形成。随后，球化退火促进均匀分散的碳化物从基体中生长成球形结构，从而改善退火后的显微组织。

综上所述，锻造后缓慢冷却会导致组织粗大并形成网状碳化物，而高温正火则能改善网状碳化物和材料偏析。因此，可以通过两种方法优化退火组织：锻造后进行适当的快速冷却，然后进行高温正火和最终的球化退火。基于对这些实例的分析，建立了如图3所示的最佳工艺。锻造后，材料进行空冷，并在Ms点以上保温一段时间以防止马氏体相变，然后进行高温正火和等温球化退火。图4展示了采用该新工艺获得的组织，表明其球化程度非常高，球化率超过95%，晶粒尺寸约为7级。该产品根据北美压铸协会标准被评为AS1级，并获得了客户的积极反馈。