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        H13球化退火組織評級圖解讀

        來源:       時間:  2017-11-20 08:58
        退火組織的優劣影響熱作模具鋼的沖擊韌性,此類鋼通常應用于急冷急熱及高壓環境,熱疲勞裂紋是最主要的失效形式。在一定強度下,高的沖擊韌性對于提高模具熱疲勞抗性,阻止裂紋擴展從而提高模具使用壽命具有重大意義。雖然影響H13鋼沖擊韌性的因素較多,但沖擊韌性與退火組織級別的確存在對應關系,因此獲得良好的退火組織是必要的。
        對于H13鋼顯微組織等級的判定依據,國外先進的模具鋼和模具生產廠家以及各研究機構進行了多年的研究和廣泛的實踐,逐漸形成了一些技術標準。如早期的NADCA# 207-90、Chrysler NP-2080、VDG、GM (U.S.,specification DS 9999-1)、JMS (Italy, specifications TT001 and TT022)等,通過金相評級的方法也可以正確評定熱作模具鋼的質量。之后Böhler Edelstahl、Edelstahl Witten-Krefeld及Uddeholm Tooling AB等公司在NADCA# 207-90標準基礎上聯合研制了新的圖譜,VDEH(德國鋼鐵協會)則以新的標準號SEP-1614-1996發布。隨著對壓鑄模失效機理的不斷認識,NADCA(北美壓鑄協會)對其標準進行了修訂(1997和2003),進一步精簡了90版本中的顯微組織評級圖譜。近年來,這兩個標準普遍得到了世界各國用戶的認可,但對某些評級和測定方法還存在一定的爭議,因此,在需要對退火組織進行細致的評級時,常常仍然沿用NADCA# 207-90標準。另外,即便鋼材通過了橫向V型沖擊的認定,也仍然需要退火組織評級來確定鋼材的最終等級。我國也針對熱作模具鋼的顯微組織制定了相關標準,如熱作模具鋼顯微組織評級(JB/T8420-96)及修訂版本(JB/T8420-08),但該標準未涉及到熱作模具鋼的退火組織評級。
        下面我們開始分析SEP-1614-1996標準圖譜(同NADCA# 207-90):
        01退火組織(500倍)評級圖片
        由該評級圖可知,位于藍色折線右側的不可接受退火組織具有三個主要特征:沿晶界析出網狀碳化物、由局部偏析造成的部分區域碳化物空白、析出碳化物分布排列呈不同位向的針狀、嚴重的偏析以及沿晶碳化物析出。
        按SEP 1614-1996,Microscopic inspection of hot-work tool steels中的相關規定,每列組織的特征如下:
        (1)GA列主要用于評價1.2343鋼(H11);
        (2)GB列主要用于評價1.2344鋼(H13),GB列圖譜中可見網狀碳化物析出,由于1.2344鋼V含量較高,網狀碳化物析出是此類鋼主要的組織特征;
        (3)GC列和GD列組織的出現原因是鋼錠熱加工后發生了貝氏體相變,而隨后的退火過程,碳化物沒有完全球化,按行區分,由上到下(數字1到5),鋼錠熱加工后轉變的貝氏體量越來越多;
        (4)GE列組織的出現原因是熱加工后發生了珠光體相變,在發生了相變的珠光體區域,形成的鐵素體內部隱含合金碳化物,非常稀疏,金相組織上呈現白色,同時碳化物沿晶界析出;
        (5)GF列組織的出現原因是熱加工后發生了完全珠光體相變。經過了不充分的退火過程,導致了嚴重的網狀碳化物組織及碳化物偏聚。按行區分,由上到下(數字1到5),發生珠光體相變的量越來越多,因此組織級別也越來越差。此列組織非常不適合后續的機械加工。
         
        NADCA(北美壓鑄協會)對其標準進行了修訂(2003),進一步精簡了97版本中的顯微組織評級圖譜,各級別不再進行鋼種區分,其對應關系如下:
         
        AS1
        GA1
         
        AS10
        GB5
         
        AS2
        GA5
         
        AS11
        GC3
         
        AS3
        GB1
         
        AS12
        GC4
         
        AS4
        GB4
         
        AS13
        GD3
         
        AS5
        GC1
         
        AS14
        GD4
         
        AS6
        GC2
         
        AS15
        GE2
         
        AS7
        GD1
         
        AS16
        GE3
         
        AS8
        GD2
         
        AS17
        GF1
         
        AS9
        GE1
         
        AS18
        GF2
        AS1-AS9合格退火組織
        AS10-AS18不合格退火組織
        新的退火組織圖片如下圖:
        02帶狀偏析組織(50倍)評級圖片
        H13鋼凝固過程中形成枝晶偏析,即合金元素偏析,如果未采取措施消除這種成分偏析,鋼錠鍛軋變形時,枝晶臂和枝晶間被壓延而伸長,形成纖維組織,即所謂的一次帶狀偏析組織,退火后形成帶狀偏析。H13鋼球化退火的目的是降低硬度,獲得良好的機加工硬度,同時得到最終熱處理所需要的預備組織,由于成分偏析,退火過程中析出的碳化物存在尺寸分布及密集程度差異,在金相照片上表現為“黑區”和“白區”交替分布。帶狀偏析形貌特征決定于鋼錠凝固過程、熱加工工藝及擴散工藝。
        按SEP 1614-1996,帶狀偏析圖譜特征如下:
        (1)SA和SC列用于評價1.2343(H11);
        (2)SB和SD列用于評價1.2344(H13)和1.2367;
        (3)SE系列為不合格帶狀偏析組織;
        (4)按行劃分,由上至下(數字1到5),對應不同的鍛造比。
        NADCA 207#-2003標準中進行了修訂,劃分依據是偏析帶中是否存在可見的大顆粒一次碳化物,存在即判為不合格,并且不再區分不同鋼種的帶狀組織。如下圖:
        以上內容參考資料:
        Kirpichnikov M S, Sinitsyn E O, Érgardt N V. Developing regimes for the heat treatment of tool steel 1.2344 with a specific structure[J]. Metallurgist, 2007, 51(9-10): 499-502.
        Stahl-Eisen- Prüfblatt SEP 1614 , Microscopic Inspection of Hot-work Tool Steels. Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf, Germany, 1996.
        Guthrie B D, Cleaver T H. Method for qualifying die material and testing dies: U.S. Patent 6,963,844[P]. 2005-11-8.
        Bernd G, Bengt K, Alfred S. Relation between Microstructure and Ductility of Hot Work Tool steels H-11 and H-13-Presentation of Acceptance References for Microstructures, NADCA Indianapolis T95-103 :337-342,
        Kirpichnikov M S, Sinitsyn E O, Érgardt N V. Developing regimes for the heat treatment of tool steel 1.2344 with a specific structure[J]. Metallurgist, 2007, 51(9-10): 499-502.
        本文作者周健 鋼鐵研究總院特殊鋼研究所工模具及軸承鋼研究室
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