H13模具钢低倍偏析的成因分析

H13模具钢低倍偏析的成因分析
一、前言
H13钢相当于4Cr5MoSiV1，是一种典型的热作模具钢。在低倍检验中经常出现不同程度的偏析，影响钢材的质量。偏析严重达到6级以上，为此，有必要对偏析的形成原因进行分析，以便提高H13钢的低倍水平。
⒈试样选择
H13钢是采用是电炉初炼+VHD精炼的双联工艺冶炼成锭，后经锻造加工形成不同尺寸的棒材。试验用料是从∣←→∣140mm棒材上取下的，化学成分如下：
H13(4Cr5MoSiV1)的化学成分"

按规定部位从棒材上取低倍试片，腐蚀后偏析为6~7级。试验用样品就是从此低倍试片上按扫描电镜的试样尺寸切取。试样上包括偏析带和基体，以便进行比较分析。试验首先用金相显微镜和扫描电镜观察偏析形态，夹杂物特征，而后用扫描电镜作元素分析及夹杂物定性，从中找出偏析产生的原因。
二、试验结果
⒈偏析的形态特征
低倍试片腐蚀后的宏观特征如照片1。
从照片看出，试样左侧有较重的偏析带，呈现出较明显的黑色条带，右侧偏析较轻，其中颜色较浅的为基体。
用扫描电镜在不同放大倍数下，观察偏析带和基体的确良微观特征。照片2就是扫描电镜的二次电子像。左侧为偏析带，右侧为基体。从2-1照片看，偏析带上类似网状的白色区域几乎连成一片，黑色区域很少。基体上白色网状明显减少，呈断续开头黑区占多数。白色类似网状的就是低倍试片上易受腐蚀的区域，所以在低倍试片上偏析带表现出较深的颜色。照片2-2是较高倍数的特征。为叙述方便，二次电子像中的白区称为A区，黑区称为B区。就是说，偏析带上A区远多于B区，基体相反。所以只要测试出A区和B区的差异，就可知偏析带与基体的差异。为此我们做了两个区域的元素分析。(来源：上海荔锋金属制品有限公司）
⒉元素分析
选择视场如照片3左上角的二次电子像，大约放大130倍，照片上的白线就是电子束线扫描的位置，包括二个A区和二个B区。试验条件显示在照片3右上角。试样移动的距离为04mm。元素分析结果如照片3中六条曲线，分别显示白线位置上Mn、Si、Mo、C、Cr、V六元素的变化。由此看出，A区的C、Mo、Cr、V明显高于B区，而且这些元素在A区的分布不是均匀连续的，有不同程度的波动，特别是C、Mo、V更为明显。由引此推测这些元素多是以颗粒状的形式存在。用半定量粗略估计：B区中的C约为A区的56%，Cr约为84%，V约为68%，Mo约为62%，Si、Mn在两区间无差异。由此可知，偏析带是C、Cr、Mo、V元素的富聚形成的。为了进一步搞清楚这些元素在偏析带及基体中的存在形式及分布状态，我们又做了组织观察和部分定性分析。
⒊组织观察及定性
Ⅰ.一次相和夹杂物的特征及定性
磨抛好的金相样品不腐蚀，观察一次相及夹杂物在偏析带和基体上的分布。观察发现：样品上一次相有明显的边界，有一定形状，如四方、三角、长条等，而且在显微镜下呈淡黄色，这些相在偏析带上的数量明显多于基体。样品中还有黑色夹杂物点状，数量明显少于一次相，分布较均匀。如照片4。另外，在观察中变换焦距隐隐约约看到小颗粒聚集分布，但是不易分辩偏析带与基体的区别。
为了确定一次相及夹杂物点状中所包含的元素，对此作了元素面扫描：成分相中黑色一次相是（V、Ti）（C、N），但是，在不同的一次相颗粒中，所含元素的含量不是一样的，有的可相差很大，有的颗粒中还有明显的Mo。
夹杂物点状的面扫描是C、O、Mo、Al、Ti、V六元素的面扫结果。上边黑颗粒是Al、Mg的氧化物，外边包着V、Ti的碳化物（合金中不是所有的氧化物周围都有V、Ti的碳化物），左图颗粒是近似四方形，是（V、Ti）（C、N）。
Ⅱ.组织特征
磨抛好的金相样品，用苦味酸试剂腐蚀后，观察组织为球状珠光体，如照片5，左侧为偏析带组织，右侧为基体。从照片5-1可明显看出：偏析带上以渗碳体为主的小颗粒密集区。为了解小颗粒密集区与低倍偏析带上A区、B区的关系，我们把金相样品作了深腐蚀，在金相显微镜中进行对比，结果如照片5-2。从5-2看出，小颗粒密集区容易受腐蚀而变黑。偏析带上的黑区明显多于基体。在低倍腐蚀时，小颗粒密集区同样会优先腐蚀，如照片5-3，其规律与金相相似。只是金相，低倍腐蚀条件有差别，低倍的腐蚀力远大于金相，虽都优先腐蚀，腐蚀程度不同，表现出的特征也稍有差异，可以说是大同小异。所以金相试样中小颗粒密集区就是低倍试片上的A区，非密集区就是B区。
⒋硬度测定
从以上的分析可知，偏析带是Cr、Fe渗碳体小颗粒和一次碳氮化物密集的地方，这样偏析带与基体的硬度应有差别。为此，我们在腐蚀后的金相试样上打魏氏硬度，结果是：偏析带测量5点的平均值为154，基体平均值为143。由此可见：偏析带的魏氏硬度高出基体（HV10=11）
三、讨论
以上的测试结果可知，H13合金低倍试片的组织为球状珠光体。珠光体中Cr、Fe渗碳体小颗粒在合金中是不均匀分布，出现渗碳体小颗粒密集区，非密集区。合金中还有具有一定形状，如四方、三角形等，有明显边界，呈淡黄色的一次碳氮化物为（V、Ti、Mo）（C、N），而在这些碳氮化物中各元素的含量有明显的差别。碳氮化物在合金中的分布是不均匀的，与渗碳体小颗粒的分布状态相一致，即渗碳体小颗粒的密集区中，碳氮化物也多。合金名点状夹杂物为Al、Mg氧化物，有的在其外边由V、Ti碳氮化物包围着，其分布较均匀。
偏析条带的组织和基体相比有明显的差别，偏析带上的渗碳体小颗粒密集区明显多于基体，一次碳氮化物也多于基体，硬度稍高于基体。金相的深腐蚀试验证明，渗碳体小颗粒是易受腐蚀优先变黑，低倍同样道理，只是低倍的腐蚀能力大于金相，所以显示出比金相更黑，受腐蚀面大的特征。另外，从低倍偏析带上A、B两区的元素分析特征来看，各元素的峰值是对应相应的颗粒。
H13钢在低倍检验中都有不同程度的偏析出现，这与该钢种的合金化与生产工艺有关。改善偏析的根本办法是有合理的冶炼，加工工艺，并选择适当的退火工艺可改善偏析状况，减轻偏析级别。
四、结论
①、H13钢低倍试片的组织为球状珠光体，渗碳体中主要元素是Cr、Fe，一次相碳氮化物为（V、Ti、Mo）（C、N），点状夹杂物为Al、Mg氮化物，有的外边由V、Ti碳化物包围着。
②、 H13钢低倍偏析带是由于合金中出现C、Cr、V、Mo、Ti等元素偏析，从而形成渗碳体小颗粒，一次相碳氮化物的偏聚，低倍腐蚀时，它们优先腐蚀，形成偏析带。
③、合金成分确定后，选择合理的冶炼，加工工艺及退火工艺，可减轻偏析级别。

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