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(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

H13鋼與我國牌號4Cr5MoSiV1材質相近，因其優(yōu)良的淬透性和熱硬性，成為廣泛應用的熱作模具鋼之一[1]，也是我公司重點研發(fā)的材料之一。雖然其碳含量在0.5%左右，但由于其合金含量將近8%，使得共析點向左偏移，H13鋼表現(xiàn)為過共析鋼[2]。過共析鋼中心部組織存在成分偏析、粗大的共晶碳化物以及二次碳化物，這些碳化物在晶界聚集，對模塊的沖擊韌性將產(chǎn)生極大的影響[3-4]。為提升材料的沖擊韌性，對H13鋼鍛后熱處理，特別是球化階段效果的影響因素研究顯得極為重要。

H13鋼現(xiàn)行的鍛后熱處理模式為正火+球化退火，理想的鍛后組織為均勻的粒狀珠光體。鋼的珠光體轉變屬于擴散型相變，與擴散溫度和擴散距離直接相關。由于鍛造時鋼錠粗大的樹枝晶已被打碎，因此鍛件的擴散距離可近似認為鍛件的晶粒尺寸大小。本文擬采用Jmatpro軟件對H13鋼進行計算，以找出晶粒尺寸大小對H13鋼球化效果的影響。

1 模擬計算參數(shù)

H13鋼主要化學元素要求[5]和計算用化學成分見表1。

表1 H13鋼化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of H13 steel(mass fraction, %)

2 Jmatpro計算結果

2.1 H13鋼平衡轉變相圖

利用Jmatpro軟件對材料的平衡轉變相圖進行計算，熔化溫度到100℃的平衡轉變如圖1所示，晶粒度級別為3級。由圖1可知，H13鋼平衡析出相有MnS、M(C,N)、M6C、M23C6、M3P、Laves和M2(C,N)等相，最先析出的相為M3P，析出溫度在1260℃；其次析出相M(C,N)，析出溫度為1100℃，析出峰值為900℃，峰值析出質量分數(shù)為1.4%，到達峰值后，析出量逐步降低，降至180℃時，析出質量分數(shù)降為0%；900℃時，碳化物M6C、M23C6幾乎同時析出，M6C析出相呈兩段式階段性析出與溶解，析出和溶解的溫度分別為900℃、630℃和850℃、580℃；M23C6析出相質量分數(shù)急劇上升，在860℃達到4.6%，其后隨溫度降低而升高，至100℃時，質量分數(shù)達到6.6%；550℃時，laves相開始析出，析出峰值為350℃，峰值析出質量分數(shù)為0.9%，到達峰值后，析出量逐步降低，降至100℃時，析出質量分數(shù)降為0.5%；M2(C,N)最后析出，開始析出溫度為190℃，降至100℃時，析出質量分數(shù)降為0.6%。

圖1 H13平衡轉變相圖Figure 1 Phase diagram of H13 equilibrium transition

2.2 H13鋼等溫轉變曲線

H13鋼等溫轉變曲線與材料晶粒尺寸大小直接相關，對不同晶粒度進行等溫轉變(TTT)模擬計算，計算結果如圖2所示。從各晶粒度等溫轉變圖可知，H13鋼在489～825℃等溫發(fā)生珠光體轉變，488～319℃等溫發(fā)生貝氏體轉變，馬氏體開始轉變溫度為318℃，馬氏體50%轉變溫度為282℃，馬氏體90%轉變溫度為199℃。珠光體相變屬于擴散型相變，貝氏體相變屬于半擴散型相變，擴散型轉變開始前需要一段孕育期，孕育期的時間受過冷度和原子活躍度的雙重影響，隨著轉變溫度的降低先減少后增加。隨著晶粒尺寸的增大，珠光體起始轉變和終了轉變曲線隨之右移；貝氏體轉變較珠光體轉變孕育期短，隨著晶粒尺寸的增大，其起始轉變和終了轉變曲線亦隨之右移。

圖2 H13不同晶粒度等溫轉變(TTT)曲線Figure 2 Isothermal transition (TTT) curves of H13with different grain sizes

擬合H13晶粒大小與珠光體轉變鼻尖溫度的轉變開始時間和結束時間，如圖3所示。由圖3可知，在H13鋼珠光體轉變鼻尖溫度688℃時，珠光體轉變開始時間和結束時間為線性分布，轉變開始時間和結束時間與晶粒直徑的關系為：

圖3 H13晶粒大小與珠光體轉變鼻尖溫度開始和結束時間關系圖Figure 3 The relationship between H13 grain size andthe start and end time of pearlite transformationat nose tip temperature

TPs=0.0233D+0.009

(1)

TPf=0.3173D-0.017

(2)

式中，TPs為珠光體轉變開始時間(h)；TPf為珠光體轉變結束時間(h)；D為晶粒直徑(μm)。

擬合貝氏體轉變鼻尖溫度的轉變開始時間和結束時間，如圖4所示。由圖4可知，在H13鋼貝氏體轉變鼻尖溫度418℃時，貝氏體轉變開始時間和結束時間為線性分布，轉變開始時間和結束時間與晶粒直徑的關系為：

圖4 H13晶粒大小與貝氏體轉變鼻尖溫度轉變開始和結束時間關系圖Figure 4 The relationship between H13 grain size andthe start and end time of bainite transformationat nose tip temperature

TBs=2.2601D+0.0608

(3)

TBf=317.58D-9.1364

(4)

式中，TBs為貝氏體轉變開始時間(s)；TBf為貝氏體轉變結束時間(s)；D為晶粒直徑(μm)。

隨著晶粒尺寸的增大，珠光體轉變結束時間變長，Jmatpro無法顯示，根據(jù)擬合公式可得出不同晶粒尺寸所需的珠光體轉變開始時間和結束時間，如表2所示。

表2 不同晶粒度珠光體轉變時間表Table 2 Transformation time list of pearlitewith different grain sizes

3 晶粒尺寸對球化工藝的影響

球狀滲碳體具有最低的界面能，粒狀珠光體組織是鋼中最穩(wěn)定的組織，均勻細小的粒狀珠光體可以極大地提高材料的韌性。從H13鋼中平衡相圖可知，鋼中碳化物含量高達6.6%，因此在球化之前，應進行正火以消除碳化物網(wǎng)，細化晶粒。

由于珠光體相變和貝氏體相變均存在碳原子的遷移，根據(jù)擴散無規(guī)則行走理論，材料中原子遷移距離和運動時間及擴散系數(shù)的關系[6]為：

式中，r為原子遷移距離；D為擴散系數(shù)；t為原子運動時間。

在上式中，由Arrhenius方程可知：

式中，Q為擴散激活能(kJ)；D0為擴散常數(shù)(cm2/s)；R為氣體常數(shù)，為8.31J/mol·K。

通常認為D0和Q與T無關，只與擴散機制和晶體結構有關。由式(5)和式(6)可知，擴散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關系，原子遷移距離r和運動時間t呈1/2次方關系，同一溫度下，隨著原子擴散距離的增加，原子運動時間隨之增加。

結合Jmatpro軟件內核計算規(guī)則可知，相變開始時間和結束時間與晶粒大小線性相關。如以1.0級晶粒度和0.0級晶粒度為例，珠光體相變結束時間達到80.58h和113.96h。雖然通過起伏等工藝手段可以有效減少相變開始時間和結束時間，但長時間的高溫保溫會極大地增加生產(chǎn)制造成本，且由于H13鋼為過共析鋼，在平衡轉變時，碳化物容易在原晶界位置偏聚，如晶界過少，則將加重碳化物的偏聚傾向，降低產(chǎn)品性能，因此建議球化退火前晶粒不粗于3.0級。

4 結論

通過以上模擬分析，可以得出以下結論：

(1)H13鋼的晶粒大小與其珠光體轉變孕育期線性相關，與貝氏體轉變孕育期亦線性相關；且貝氏體孕育期遠低于珠光體孕育期。

(2)球化前進行正火對H13鋼消除網(wǎng)狀碳化物，細化晶粒十分必要。

(3)為取得良好的球化效果及降低成本，建議球化退火前晶粒不粗于3.0級。