热作模具钢作为模具钢的重要组成部分，主要应用于制造热锻模、压铸模、热挤压模等。热作模具服役过程中会受到高频率、间接性的冲击载荷，反复的高压、高温冲蚀和激冷激热作用，会形成变形、开裂、磨损及疲劳裂纹等缺陷。为了在复杂的工作条件下使模具仍保持高的服役寿命，热作模具钢需要具备优良的强韧性、耐磨性以及抗热疲劳性能。关于如何提高热作模具钢的强度和韧性，成为近年来模具领域主要的课题之一，得到了国内外学者的广泛关注与研究。

 

       目前，提升热作模具钢强韧性的途径主要分为两种，一种是采用合金化思路，改变合金成分配比从而提高材料的强度和韧性。胡涛等开发的新型热作模具钢SR19，在H13钢成分的基础上通过增Ｍo、加W、降V来提高纳米相的析出数量，相同试验条件下，SR19 钢回火后相较于H13钢硬度提升0.5～1HRC，冲击韧性提升40～50Ｊ。邓俊杰等通过在4Cr5Mo2V钢中添加Co来促进二次硬化碳化物形核速率，并降低碳化物的粗化速率，使得4Cr5Mo2V钢的强韧性得到提升。    

 

      另一种改善热作模具钢性能的途径是工艺优化，具有研发周期短、成本低等特点。深冷处理是指采用液氮作为制冷剂，材料在超低温环境下保温一定时间后，内部组织表现为晶粒细化、位错密度增加、细小碳化物析出、残留奥氏体减少等，性能上表现为在不降低强度与硬度的情况下，显著提高材料的韧性。李东辉等通过研究深冷处理对H13钢热稳定性的影响及组织演化规律发现，深冷处理后试验钢回火过程中析出更多细小的M23C6型碳化物，硬度和热稳定性得到提升。张展展等分析了深冷处理对喷射成形H13钢耐磨性能的影响，得出深冷处理使残留奥氏体完全转变为马氏体，同时马氏体板条碎化以及微细碳化物弥散析出，从而改善了H13钢的冲击性能和耐磨性能。本工作通过显微组织分析及性能表征试验，探究深冷处理对H13钢组织及力学性能的影响，以期为热作模具钢的工艺优化提供理论基础。

 

1、 试验材料及方法

 

     本试验材料为H13热作模具钢棒材，真空感应＋真空自耗冶炼ϕ305mm钢锭，钢锭经1250℃高温扩散后，采用2000t快锻开坯，轧制成材，成品尺寸ϕ20mm，试验钢的化学成分（质量分数，%）为0.36Ｃ、1.00Si、0.38Mn、5.11Cr、1.31Mo、0.92V，余量Fe。金相及硬度试样采用线切割切取尺寸ϕ20mm×10mm试样若干。沿试验料纵向取尺寸为10mm×10mm×55mm的夏比Ｕ型缺口冲击试样，拉伸试样尺寸为ϕ5mm ×65mm×M12mm。热处理试验在箱式马弗炉中进行，奥氏体化温度为1000℃，保温30min后油冷至室温，随后将试样放入-196℃液氮罐中进行深冷处理，深冷处理时间分别为0、0.5、1、2和4h（对应试样编号为CT-0h、CT-0.5h、CT-1h、CT-2h、CT-4h），回火工艺为560℃保温2h，空冷，回火两次；本试验对照组热处理工艺为奥氏体化温度1030℃，保温30min后油冷至室温，回火温度为540℃保温2h，空冷，回火两次。

 

     热处理后的金相试样用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀10s，采用Olympus GX53光学显微镜和Quanta 650 FEG热场发射扫描电镜采集回火试样显微组织照片；在D8ADVANCE X射线衍射仪上进行XRD物相分析，Co靶，管电流40mA，管电压35kV，扫描速度2°/min；洛氏硬度试验采用TH300型洛氏硬度计，每个试样测量4个点取平均值；冲击试验在JBN-300B型冲击试验机上进行，测量3支平行试样的冲击吸收能量取平均值；采用万能试验机对试验钢的拉伸性能进行测试，试验温度25℃，测量结果取平均值。

 

2、 试验结果与分析

 

2.1 物相及组织    

 

      图1为H13钢经淬火＋不同时间深冷处理后的Ｘ射线衍射图谱，通过MDI Jade6软件对照标准PDF卡片标得H13钢衍射峰晶面指数分别为(100)、(200)、(211)，3种晶面指数所对应的均为马氏体衍射峰，并未出现奥氏体衍射峰。由于CT-0h试样未出现奥氏体衍射峰，可见淬火后未经深冷处理的H13钢中残留奥氏体含量较少，未达到Ｘ 射线衍射仪的检测范围，因此通过XRD未能验证深冷处理会促进奥氏体向马氏体转变。但值得注意的是，通过图1可以看到，随着深冷时间的增加，试验钢的衍射峰在逐渐向左移动，这一现象说明马氏体中的C含量升高，晶格常数增大，晶格畸变效应增强，这与文献得出的结论相对应。

      图2给出了不同深冷时间处理H13钢经回火后的SEM组织，回火后试验钢的显微组织呈典型的板条马氏体组织特征，可以看到回火马氏体＋颗粒状大尺寸未溶碳化物＋ 细小带状碳化物析出。CT-0h试样中马氏体板条较为粗大，碳化物呈零星状析出（见图2（ａ）），随着深冷时间的延长，马氏体板条有细化的趋势，碳化物析出也愈加弥散。当深冷时间达到4h后，如图2（ｅ）所示，大量带状细小的析出碳化物均匀分布在基体上。可见，深冷处理导致试验钢位错密度增大，马氏体晶格收缩，为碳原子沉淀提供了位置并促进其在马氏体缺陷附近析出。

 

 

 

2.2 硬度及冲击性能    

 

      深冷处理H13钢经回火后的洛氏硬度和冲击性能的关系如图3所示，随着深冷时间的增长，H13钢的硬度提高，冲击性能逐渐降低。CT-0h试样的硬度为49.8HRC，冲击吸收能量为50.3J；CT-4h试样的硬度达到了52.5HRC，冲击吸收能量为44.2J，可见经-196℃ ×4h深冷处理后，H13钢的硬度提升了2.7HRC，冲击吸收能量同比降低12.1％。由图2可知，深冷处理细化了马氏体板条，同时促进了细小的带状碳化物析出并弥散分布在基体上，沉淀强化使得材料的硬度得到提升。此外，深冷处理过程促进了残留奥氏体向马氏体发生转变，马氏体的硬度高，因此成为试验钢硬度提高的另一个原因。文献指出，H13热作模具钢随着深冷处理时间的增加，硬度呈先上升后下降的规律，在深冷20ｈ 附近硬度达到顶峰，随后由于晶粒不均匀而导致硬度下降，本文研究中深冷0～4h处于硬度上升区间内，在此区域残留奥氏体逐渐减少，马氏体逐渐增多，马氏体具有脆性，故试验钢的韧性降低。

 

 

 

2.3 室温拉伸性能 

 

      深冷处理H13钢经回火后的力学性能变化如图4所示。由图4(ａ)可以看出，随着深冷时间的延长，H13钢的抗拉强度(Rm)和屈服强度（Rp0.2）在深冷0～2h内呈缓慢上升趋势，在深冷2～4h有着较大幅度的提高。4h后Rm为1925MPa，Rp0.2为1607MPa，相较于深冷0h的Rm＝1736MPa、Rp0.2＝1394MPa分别提升了10.1%和15.3%。这是由于深冷处理会使马氏体发生相变，导致塑性变形，使位错密度增加，有利于提升试验钢的强度；根据图4(ｂ)可见，经过4h深冷处理后，试验钢断后伸长率降低3%，断面收缩率降低9.5%，材料的塑性有所下降，究其原因可能有以下3点：①位错的合并以及在障碍处的塞积容易导致微裂纹的形成，致使试验钢的塑性降低。②在残留奥氏体向马氏体转变过程中容易产生较大的相变应力且无法得到释放，在试验钢组织中产生微裂纹，在拉伸载荷的作用下产生低能量扩展从而使塑性下降。③淬火后试验钢组织中的大尺寸未溶碳化物在拉伸过程中容易作为裂纹源而对材料的塑性产生一定的影响。

 

3、 深冷处理与普通热处理对比

 

       为了进一步研究深冷处理对H13钢力学性能的影响，采取调整热处理工艺的方法设置一组对比试验，将对照组硬度调整至与CT-4h试样相同后，对两组试验钢的力学性能进行分析，结果如表1所示，冲击和拉伸断口如图5 所示。由表1可见，在相同硬度下，深冷处理H13钢的冲击吸收能量超出普通热处理12.5%。

 

 

      由图5（ａ，ｂ）可以看出，两组试样冲击断口形貌相似，均具备准解理断裂特征，微观形貌呈河流花样，撕裂棱附近存在细小密集的韧窝，准解理花样为层片状起伏，不同的是，CT-4h试样冲击断口形貌解理平面较小，撕裂棱较短且更为弯曲，因此冲击性能较好。这是由于深冷过程中由残留奥氏体转变而来的二次马氏体与原始马氏体具有不同的晶体学取向，延长了裂纹尖端扩展路径，致使冲击吸收能量较普通热处理的高。

 

 

      由表1还可见，在保持相同硬度前提下，经过深冷处理4h的H13钢与普通热处理相比，抗拉强度和屈服强度均有明显的提升，而塑性有略微的下降。CT-4h试样的抗拉强度和屈服强度分别比普通热处理高116、112MPa，断后伸长率和断面收缩率仅比普通热处理低0.6%、3.2%。由图5(ｃ，ｄ)可以看出，CT-4h试样的韧窝尺寸明显比普通热处理的小，两组试样的拉伸断口均属于微孔聚集型韧性断裂，在拉伸过程中试验钢中第二相粒子M23C6与基体变形不协调，在应力的作用下破碎形成孔洞，这些孔洞通过聚集和长大形成韧窝，韧窝的尺寸决定了材料的塑性，尺寸小的韧窝表明第二项粒子更多，从而使材料的塑性下降。综上所述，H13钢在深冷过程中残留奥氏体转变为马氏体以及促进细小碳化物析出是材料强度升高，塑性略微降低的主要原因。

 

4、 结论

 

     1） H13钢的回火组织为回火马氏体＋颗粒状大尺寸未溶碳化物＋ 细小带状析出碳化物，随着深冷处理时间的延长，马氏体板条得到细化，带状析出碳化物数量增多，呈弥散分布在基体上。

 

     2） 较未深冷处理，H13钢经4h深冷处理后，硬度提升2.7HRC，抗拉强度、屈服强度分别提升10.1%、15.3%；冲击吸收能量、断后伸长率和断面收缩率分别降低12.1%、3%和9.5%。这归因于深冷处理过程中残留奥氏体向马氏体转变增加了试验钢的强度，降低了其韧性和塑性。

 

   3 ） 在保持硬度相同的条件下，深冷处理4h与普通热处理相比，H13钢在保持良好塑性的同时具有更优的强韧性。深冷4h试验钢的冲击断口为准解理断裂机制，解理平面较小、撕裂棱较短且更为弯曲；拉伸断口为韧性断裂机制，存在大量尺寸较小的韧窝。

 

 

来源：钢铁研究总院有限公司

关键词： 钢组织 力学性能