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模具鋼材H13高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理 
模具鋼材H13(4Cr5MoSiV1)以其高的淬透性、淬硬性、強(qiáng)韌性和熱疲勞抗力在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，用于制作熱擠壓模、鋁合金壓鑄模、熱鍛模、塑料模等，是目前世界范圍內(nèi)使用廣泛的熱作模具鋼之一。本試驗(yàn)用高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理，通過(guò)細(xì)化組織、消除或減輕共晶碳化物、改善帶狀偏析等來(lái)提高模具鋼材H13心部等向性能。 
㈠試驗(yàn)材料 
試驗(yàn)材料為非真空感應(yīng)爐(2 t)冶煉+電渣重熔(ESR)生產(chǎn)的H13鋼錠，鋼錠頭部直徑135 mm，尾部直徑150mm，總長(zhǎng)度450mm�；瘜W(xué)成分如表1所示。選取2支鋼錠進(jìn)行試驗(yàn)，其中A鋼錠經(jīng)1160℃加熱鍛造成Φ70mm后，880～760℃等溫退火；B鋼錠經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散處理，然后經(jīng)1160℃加熱鍛造成研Φ70mm試樣，超細(xì)化處理后880~760℃等溫退火。由于A、B鋼錠的化學(xué)成分基本相同，故對(duì)以后的試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果的影響可以不予考慮。 
㈡試驗(yàn)結(jié)果分析 
⒈共晶碳化物的溶解 
模具鋼材H13在鑄造過(guò)程中碳及合金元素嚴(yán)重偏析，鋼錠凝固后期出現(xiàn)共晶碳化物，共晶碳化物一旦形成大塊狀，并排列成鏈或堆集成帶和網(wǎng)狀，會(huì)促使模具早期失效。因此消除共晶碳化物對(duì)提高模具鋼材H13的質(zhì)量十分重要，可以通過(guò)高溫長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散處理加以改善或消除。 
由掃描電鏡分析可知，非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的H13模具鋼材退火態(tài)中主要存在大塊狀和長(zhǎng)條狀分布的富釩共晶碳化物，可能是M(V)C型，VC的溶解溫度是1100～1150℃，在晶界聚集析出，鉬和鉻的碳化物基本溶解。本試驗(yàn)淬火溫度在1000～1050℃，對(duì)于非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的H13鋼，淬、回火后小顆粒的VC部分溶解，而大顆粒未溶解的碳化物鑲嵌在基體之中。這些未溶解碳化物硬而脆，破壞了材料基體的連續(xù)性，降低了HI3鋼的塑性和韌性。而經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散處理和超細(xì)化處理的H13鋼材，鉬和鉻的碳化物完全溶解，均勻細(xì)小分布在基體中。退火態(tài)中小顆粒M(V)C完全溶解，大塊狀M(V)C共晶碳化物部分溶解，在后工序處理中細(xì)小彌散析出，提高了H13鋼材的塑性和韌性。 
⒉模具鋼材H13的退火組織分析 
鋼錠冷卻時(shí)，首先沿液相線結(jié)晶的高純度的初晶周邊形成樹(shù)枝狀結(jié)晶，在凝固界面上，元素成分濃縮的鋼液在樹(shù)枝間隙形成樹(shù)枝狀偏析。鑄態(tài)H13模具鋼材直接進(jìn)行鍛造后樹(shù)枝狀偏析延伸形成帶狀偏析，帶狀偏析是影響H13鋼材橫向沖擊韌性值的主要因素，帶狀偏析越嚴(yán)重，橫向沖擊韌性值越低，橫縱向沖擊功之比越小，等向性越差。白色區(qū)域基體由于碳及合金元素含量較高，難于侵蝕，故成白色；黑色區(qū)域，碳化物稀少，碳及合金元素含量較低，組織較粗，易被侵蝕，這樣就形成了黑白相間的偏析帶，造成了力學(xué)性能尤其是塑性和韌性的降低。而經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理和超細(xì)化處理的H13鋼材，帶狀偏析雖然沒(méi)有完全消除，但明顯得以改善。 
退火態(tài)組織為由碳化物球化而獲得的粒狀珠光體，碳化物呈粒狀分布在鐵素體中。與片狀珠光體比較，粒狀珠光體的硬度較低，硬度均<235HB，其周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)為球形對(duì)稱，對(duì)基體的損害較小，因而含粒狀珠光體的組織比含片狀珠光體的組織具有較優(yōu)越的拉伸性能特別是均勻塑性 。非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼材珠光體顆粒粗大，不夠均勻，力學(xué)性能偏低；而經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理和超細(xì)化處理的H13鋼材粒狀珠光體均勻細(xì)小的分布在鐵素體基體中，力學(xué)性能明顯提高。 
⒊模具鋼材H13的淬、回火組織分析 
由淬、回火態(tài)橫向金相組織可以看出，非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的H13鋼材淬、回火態(tài)組織分布不均勻，存在共晶碳化物和成分偏析；而經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼材淬、回火組織均勻細(xì)小，共晶碳化物基本溶解，成分偏析明顯改善。 
⒋試樣沖擊、拉伸試驗(yàn)分析 
從模具鋼材H13退火及淬、回火態(tài)沖擊和拉伸性能試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，退火態(tài)非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的H13鋼橫向沖擊功較經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼稍低，但非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的H13鋼縱向沖擊功高于經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼，可能由于帶狀偏析引起。淬、回火態(tài)經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼的橫向沖擊功明顯高于非高溫?cái)U(kuò)散 超細(xì)化的H13鋼，經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼縱向沖擊功稍高于非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼。非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼退火態(tài)心部沖擊韌性橫縱比僅為47.69％，而經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼退火態(tài)心部沖擊韌性橫縱比為65.85％，較非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼提高38.08％；非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼淬、回火態(tài)心部沖擊韌性橫縱比僅為26.90％，而經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼淬、回火態(tài)心部沖擊韌性橫縱比為55.00％，較非高溫?cái)U(kuò)散一超細(xì)化的H13鋼提高104.46％；可見(jiàn)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理后組織均勻性的改善和夾雜物形態(tài)的變化對(duì)提高H13鋼材的等向性，特別是橫向沖擊韌性起到了關(guān)鍵性的作用。H13鋼退火態(tài)及淬、回火態(tài)的拉伸性能可以看出，經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼的斷后伸長(zhǎng)率高可達(dá)28.6％，斷面收縮率高達(dá)67.0％，塑性指標(biāo)提高，但是提高很少，其原因尚待深入分析研究。 
㈢綜述 
測(cè)試和分析結(jié)果表明：非高溫?cái)U(kuò)散-超細(xì)化的模具鋼材H13(4Cr5MoSiV1)鋼材存在大塊狀的共晶碳化物，帶狀偏析嚴(yán)重，鋼的橫向沖擊韌性較差；而經(jīng)過(guò)合理的高溫?cái)U(kuò)散和超細(xì)化處理的H13鋼材，小顆粒共晶碳化物基本消失，大顆粒共晶碳化物部分溶解；帶狀偏析和組織均勻性明顯改善，并且鋼材中的碳化物細(xì)小、均勻；鋼材的橫向沖擊韌性明顯提高。