热处理工艺对棒钢组织的影响范文

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摘要:研究了感应加热淬火温度、回火温度对H13芯棒钢组织和硬度性能的影响规律。研究结果表明，在1000～1060℃的温度范围内，随着淬火温度的升高，芯棒钢材料的硬度逐渐上升，1060℃后芯棒钢的硬度基本维持在一个稳定水平;随着淬火温度的升高，原奥氏体晶粒尺寸长大;相同回火温度下细晶组织易于获得回火索氏体组织，粗晶组织易于获得回火托氏体组织;在580～700℃范围内，随着回火温度的升高，芯棒钢材料的硬度呈逐渐降低趋势，这主要与组织中马氏体分解、马氏体碳含量降低、位错密度降低和碳化物粗化有关;芯棒要获得相同的硬度水平，当淬火温度升高时，对应的回火温度也相应升高，呈现“高淬高回”的特点;淬火温度均为1060℃时，580～620℃的范围内回火组织为回火托氏体，660～700℃的范围内回火组织为回火索氏体。

关键词:淬火;回火;组织;硬度;芯棒钢

H13钢具有优良的热强性、热疲劳性能、加工性能和性价比，国内外广泛将其作为热作模具钢使用，其热强性、热稳定性和淬透性好于高韧性热作模具钢5CrNiMo和5CrMnMo，其塑韧性和抗热冲击性好于高热强性热作模具钢3Cr2W8V，适合制作压铸模、热挤压模、高速锤锻模、连轧芯棒等，一般工作温度＜700℃。H13钢从美国引进，对应GB/T1299—2000中牌号4Cr5MoSiV1，属于中碳合金钢、过共析钢，由于其强碳化物形成元素Cr、Mo、V含量较高，是一种空冷硬化钢，一般通过调质热处理工艺对性能(强度、韧性和硬度)进行调控，以满足使用工况对钢的性能匹配的要求。H13热处理工艺为退火→调质热处理(淬火+两次回火)。其中退火通常有两种工艺，即常规退火工艺和等温球化退火工艺［1］。其中，等温球化退火工艺应用较多，主要目的有:一是降低硬度，改善切削加工性能;二是改善碳化物形态和均匀化组织，作为后续调质热处理的预备热处理工艺。退火后通过较高温度的淬火和快速冷却可以有效避免和消除退火过程中形成的网状碳化物［2］。淬火温度影响着奥氏体化阶段碳化物的溶解程度、合金的固溶程度和奥氏体晶粒大小。H13的淬火温度不应超过1100℃，以保证在获得较高强度、硬度、耐磨性的同时不造成塑韧性的明显降低［3］。淬火温度升高，H13材料的硬度值上升［4］，H13的硬度根据材料应用需求可通过回火温度进行调整。另外，H13钢存在二次硬化现象，二次硬化峰主要与M2C、MC类型的碳化物析出有关［5－6］，也有基于二次硬化的温度区间里没有发现合金碳化物的析出但有大量条带状线条形成的现象而提出二次硬化与［M－C］团(以Mo、Cr、C为主的片状原子偏聚区，类似G．P．区)有关的理论［7－10］。二次硬化峰值温度与淬火温度有关，有研究表明，淬火温度升高，二次硬化峰值对应回火温度降低［11］。为使残奥转变充分，以提高韧性，需要进行多次回火，增加回火次数可以改善冲击性能的稳定性［12］。目前行业内H13一般采用两次回火的工艺。关于H13作为热作模具钢使用的热处理工艺研究文献较多，但关于H13作为无缝钢管连轧芯棒使用的热处理工艺研究却鲜有报道。H13用作无缝钢管连轧芯棒，为使材料形成“内韧外强”的复合结构材料，以保证心部材料具有良好抗断裂韧性，同时外表材料具有较高的硬度性能，需要采用表面感应淬火+整体回火的特殊热处理工艺进行制造。本文的研究目的是对用于加工成连轧工具的芯棒的H13材料进行表面感应淬火+整体回火的热处理工艺制度进行研究，从而确定热处理工艺对表面硬度的影响规律，然后根据耐磨性和塑韧性的要求设计合理的硬度目标，最终确定出合理的热处理工艺方案。

1试验材料和方法

H13材质试验钢的化学成分见表1。试验钢为97的圆钢，初始组织状态为退火态。试验过程中利用感应线圈进行圆钢表层加热，然后淬火。感应线圈内径为123mm，长度为600mm，感应线圈与圆钢的单边间隙为13mm，感应线圈的功率为780kW，材料加热过程的移动速度为10mm/s。研究的感应淬火加热温度范围为1000～1100℃，回火温度范围为580～700℃。回火时间为120min。对不同工艺条件下的试样取样进行洛氏硬度测试，载荷为150kg，测试标准为ASTME18，每个试样硬度测试3点，取平均值。

2试验结果和分析

2．1淬火温度对硬度的影响H13钢的淬火组织一般为马氏体+未溶碳化物颗粒+残留奥氏体的混合组织。从图1可以看出淬火温度对H13芯棒钢硬度的影响。相同的回火温度下，在1000～1060℃范围内，随着淬火温度的升高，芯棒钢材料的硬度逐渐上升，当淬火温度从1060℃继续升高时，芯棒钢的硬度基本维持在一个稳定水平。芯棒钢的硬度随淬火温度升高呈先升高后维持稳定的现象，主要与淬火温度对芯棒钢材料中合金元素的固溶程度影响有关。当淬火温度升高，原先以析出碳化物形式存在的合金元素重新固溶、均匀化并在后续的回火过程中重新弥散、均匀析出，从而使硬度得以提高;但当合金元素已获得充分固溶后，这种影响机制逐渐消失，因而在性能上表现为硬度不再继续升高而是保持不变。淬火温度的升高还会引起奥氏体平均晶粒尺寸的增加［13］，从而对塑韧性造成不利影响。因此，需要综合淬火温度对合金固溶程度、硬度、奥氏体平均晶粒尺寸的影响来选择合适的淬火温度。

2．2回火温度对硬度的影响从图2可看出回火温度对H13芯棒钢硬度的影响，相同的淬火温度下，在580～700℃范围内，随着回火温度的升高，芯棒钢材料的硬度呈逐渐降低趋势。回火温度从580℃升高至620℃时，芯棒钢的硬度呈缓慢下降趋势，且与淬火态硬度相比下降不明显，说明H13芯棒钢在580～620℃的范围内具有较好的抗回火稳定性，在620℃下服役性能较稳定。但是当回火温度从620℃起继续升高至700℃时，芯棒钢的硬度开始快速下降。以淬火温度为1060℃时为例，回火温度从580℃升高至620℃，硬度(HRC)从55．7降低至51．1;回火温度继续升高至640℃和700℃时，硬度(HRC)则分别进一步降低至45．6和32．4。如果期望H13的硬度(HRC)为33～40，则需要回火温度为640～680℃。H13芯棒钢在580～700℃的回火温度范围内，未出现明显的二次硬化峰。一般对于H13材质，二次硬化峰温度为520～560℃，二次硬化的产生主要与M2C、MC的析出或［M－C］团的形成有关［8－10，13］。从图2还可以看出，芯棒要获得相同的硬度，当淬火温度升高时，对应的回火温度也相应升高，呈现“高淬高回”的特点。

2．3淬火温度对淬硬层深度的影响芯棒的制作方法为采用感应加热的方式进行表面淬火处理，后续经过整体横截面的回火形成表面和内部不同热处理的组织和性能，获得表面硬度较高、内部硬度较低的材料构造，从而使芯棒表面获得较高的耐磨性和内部获得较好的韧性(较强的抵抗冲击断裂失效的能力)。表2为感应加热过程中淬火温度对硬化层硬度和硬化层(HRC＞48)深度的影响规律，总体趋势为:在1000～1060℃的范围内淬火时，随着淬火温度的升高，硬化层的硬度逐渐升高，同时硬化层(HRC＞48)深度也逐渐增加。另外，从表2可以看出，退火态的基体和淬火态的硬化层两个位置的硬度(HRC)分别为25．4～28．5和51．5～56．3。表3为淬火温度和回火温度对芯棒硬度的影响规律，可见回火态硬度相比于淬火态有所降低，通过选择合适的温度进行回火可以降低或调整感应加热表面淬火硬化层的硬度。选择高硬度有利于表面耐磨性能的提高，但同时要考虑芯棒工作时服役温度对硬度性能稳定性的影响(芯棒使用时表层温升致使硬度下降);另外，硬度过高，芯棒表面易形成疲劳裂纹，所以根据不同机组实际工况选择芯棒硬度尤为重要。

2．4回火温度对显微组织的影响回火过程实质是淬火马氏体中过饱和元素的脱溶、析出和长大的过程，过程的进行速度与元素扩散有关，即与钢中合金元素密切相关。淬火温度均为1060℃时，不同回火温度下组织的变化情况如图3所示。580～620℃的范围内回火组织为回火托氏体，660℃～700℃的范围内回火组织为回火索氏体。回火温度较低时(不高于650℃)，由于合金碳化物的析出和不易粗化，合金碳化物对界面起到有效的钉扎作用，马氏体的铁素体板条形貌难以改变，因此回火后也不能得到回火索氏体组织，而仍然呈回火托氏体组织［8］。随着回火温度的升高，碳化物发生转变，600℃回火的碳化物主要为Fe3M3C、Mo2C、VC和Cr7C3，650℃回火的碳化物主要为Fe3M3C、VC和Cr7C3［6］，随着回火温度的继续升高，Mo2C和Cr7C3会转变成M6C、M23C6［9］。回火温度升高，马氏体分解，马氏体中碳含量降低，马氏体中板条位错密度降低，板条发生回复和再结晶，碳化物数量增多但同时碳化物粗化，这是导致硬度降低的组织原因［14］。结合回火温度升高对显微组织转变和硬度降低的影响规律，可见H13材料适合在620℃及以下温度范围内使用，高于620℃后如受热不均，H13材料各处的硬度降低程度不一(软化程度不同)，会出现局部塑性变形，从而促进冷热疲劳裂纹的形成。回火温度均为620℃时，不同淬火温度下组织的变化情况如图4所示。1040℃淬火时，H13材料的原奥氏体晶粒细小，冷却相变后形成的组织也细小，有利于塑韧性提高;淬火温度由1040℃升高到1060℃时，原奥氏体晶粒已有较明显的长大;继续升高到1080℃时，原奥氏体晶粒混晶现象明显;升高到1100℃时，原奥氏体晶粒已经由1040℃时的约10μm长大到了约30μm。1040℃和1100℃淬火，同时回火温度均为620℃时，两者的硬度(HRC)分别为48．6和51．5。淬火温度较高时，合金元素固溶含量高，抵抗回火软化的能力更强，图4的组织中也可见相同的回火温度(620℃)下淬火温度为1100℃时的调质态组织为回火托氏体，淬火温度为1040℃时的调质态组织为介于回火托氏体和回火索氏体的组织。

3结论

(1)相同的回火温度下，在1000～1060℃范围内，随着淬火温度的升高，芯棒钢材料的硬度逐渐上升;当淬火温度从1060℃继续升高时，芯棒钢的硬度基本维持在一个稳定水平。随着淬火温度的升高，原奥氏体晶粒尺寸长大，相同的回火温度下，较高温淬火得到回火托氏体组织，较低温淬火得到回火索氏体组织。(2)相同的淬火温度下，在580～700℃范围内，随着回火温度的升高，芯棒钢材料的硬度呈逐渐降低趋势，这主要与组织中马氏体分解、马氏体碳含量降低、位错密度降低和碳化物粗化有关。芯棒要获得相同的硬度水平，当淬火温度升高时，对应的回火温度也相应升高，呈现“高淬高回”的特点。(3)在1000～1060℃的范围内淬火时，随着淬火温度的升高，硬化层的硬度逐渐升高，同时硬化层(HRC＞48)深度也逐渐增加。(4)淬火温度均为1060℃时，580～620℃的范围内回火组织为回火托氏体，660～700℃的范围内回火组织为回火索氏体。

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作者：陆明和 胡平 单位：宝山钢铁股份有限公司中央研究院