H13 热作模具钢球化退火组织评级方法的研究及应用

尹志强

（河钢宣钢技术中心，河北 张家口 075100）

0 引言

H13 最初是美国的热作模具钢牌号，在中国的牌号为4Cr5MoSiV1，是一种空冷硬化型热作模具钢和中耐热韧性热作模具钢。因其具有强韧兼具的特点而被国际上广泛使用，在一定强度下，高的冲击韧性有利于提高模具热疲劳抗性，阻止裂纹扩展从而提高模具使用寿命，虽然影响H13 热作模具钢冲击韧性的因素较多，但退火组织级别是其中最重要的原因之一，因此获得良好的退火组织是提高H13 产品质量的关键[1-2]。

目前市场上H13 热作模具钢球化退火组织级别评定是以《NADCA 207—2003》北美压铸协会标准图谱为依据，采用对比法进行退火组织级别评定。然而该标准图谱中图片像素不清晰，级别评定标准不统一，人为误差因素较高，且标准对于相应级别没有详细的说明，导致H13 热作模具钢球化退火组织级别评定工作困难，且速度无法跟上日常生产检测的要求[3]。我们查找相关文献资料并结合标准，进行大量的检测试验，通过数据分析、研究总结出H13 热作模具钢球化退火组织评级检测方法，依据《NADCA 207-2003》北美压铸协会标准中的评级图建立了适用于生产的H13 球化退火组织图库，给同行业提供了检测依据，提高了金相检测准确率，加快了检测速度，提高检测水平。

1 实验与分析

1.1 试样制备

退火组织试样切取时，试样的检测表面为垂直于轧制方向的面即横截面，样块从试件端面的宽度及厚度的中心处截取，见图1。样品规格（10～15）mm×（10～15）mm，样块1、2、3 分别位于直径1/8、1/4、1/2位置（取完样按取样位置摆好、标号），1、3、4、5 面可由带锯取样，其余表面由线切割取样。取样时注意切割速度及冷却液的选择，避免因塑形变形或受热引起的显微结构组织失真的现象。

图1 取样位置

1.1.1 试样清洗

试样表面若沾有油渍、污物、冷却液或残渣，可用合适溶剂（如酒精、丙酮等）清洗。任何妨碍基体腐蚀的金属覆盖层应在磨抛之前除去。

1.1.2 试样研磨

试样先用砂轮粗磨，修整为规则的试样，将试样上的棱角磨掉，试样磨削时须用水冷却试样，防止试样因受热而发生组织变化。机械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不够好，表面变形层也比较严重。因此经机械磨盘磨平、洗净、吹干后的试样需要继续进行手工磨制。按照先粗磨再细磨，砂纸粒度由小及大的规律对样品进行研磨。每更换一次砂纸时，试样须旋转90°使新一道次磨制方向与旧磨痕方向垂直，在此方向磨至旧磨痕完全消失，新磨痕均匀一致时为止。

1.1.3 抛光

抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面，且无磨制缺陷。抛光时间不宜过长避免在检测面产生应力变形膜影响组织显示。抛光时应用力均匀不宜过小或过大，以试样稳定落于抛光布上为宜，避免因人为因素造成试样边角导圆或浮凸。一般抛光到试样的磨痕完全除去，表面呈光亮无痕的镜面为止。抛光后用水清洗干净检测面，再用无水乙醇洗净吹干，检测面表面不应有水迹或污物残留。

1.1.4 浸蚀

H13 退火组织试样浸蚀时，一般采用化学侵蚀法，利用浸蚀剂对试样的化学溶解作用将组织显露出来。将抛光后的检测面向下浸入5%的硝酸酒精中，轻轻晃动试样，使试样与5%的硝酸酒精侵蚀剂充分接触，侵蚀时间为10～15 s，光亮的检测面被浸蚀得逐渐失去光泽略显灰暗时即刻取出，用流动的清水彻底冲洗后将检测面浸入酒精，再用滤纸吸去过多的水和酒精，迅速用吹风机吹干，完成整个制备试样的过程。

试样浸蚀程度也对检测准确度有很重要的影响，浸蚀时间不够，碳化物组织没有全部显示出来。浸蚀时间过长碳化物过度腐蚀，观测面过黑不便于检测碳化物分布形态。

1.2 球化退火组织检测

侵蚀后的试样先在金相显微镜下使用低倍目镜（50×）观察试样退火组织显微结构宏观特征，然后根据检测目的逐级放大，最终在500 倍下观测退火显微组织结构并进行评级。在退火组织级别评定时以目镜内观测到的组织显微结构特征与标准图谱进行对比，找到特征规律进行评级。

用LEICA DMI5000M 型金相显微镜放大到500倍，观察其球化退火后显微结构组织。部分试样存在显微结构组织缺陷——渗碳体沿晶界成链状析出。

2 确立评级原则、建立图库

通过大量的H13 热作模具钢的球化退火显微组织结构检测数据，理论结合实际，对热作模具钢H13球化退火组织的评级依据进行总结，做出以下评级原则（见表1）。经钢研院专家确认，此评级原则准确可靠，可以投入进行使用。

表1 H13 球化退火组织的评级原则

根据《NADCA 207—2003》球化退火组织标准评级图（500×）及以上总结的评级原则，对H13 热作模具钢球化退火后金相显微组织进行评级，同时在生产实践过程中总结并归类相应图片建立了适用于生产的H13 热作模具钢产品退火组织图库，缩略图见图2（注：由于目前特材公司生产的H13 热作模具钢暂未发现AS11-AS18 级别的不合格组织，在此后如若发现相应组织形态将会继续补充至本图库中）。

图2 H13 热作模具钢产品退火组织图库缩略图

3 实施效果

该项目反馈的数据指导生产，创新了H13 热作模具钢球化退火组织级别评定检测方法，明确了合格组织与不合格组织的特征和定义，结合本单位实际生产情况，建立了一套适用于生产的H13 热作模具钢球化退火组织图库。提高了退火组织金相检测准确率，加快了检测速度，提高了检测水平。可以更加有效、直观的发现钢材产品质量存在的问题，指导工艺控制，改善产品质量，达到提质增效的目的，可以推广应用到其他规格及今后其他牌号的球化退火组织级别检测实践中。

4 结论

1）该检测方法属于国内首创，建立了详细完善并符合H13 热作模具钢生产实际的球化退火组织图库，确定了各级别退火组织评级定义。总结出H13 热作模具钢球化退火可接受组织和不可接受组织评级原则，确定的H13 热作模具钢球化退火组织级别评定方法，填补了国内空白。

2）目前国内并没有本评级方法的研究及确定，可以更加直观、有效的发现钢材产品质量存在的问题，可以更有效的辅助公司进行生产工艺控制，改善产品质量，达到提质增效的目的。制定了H13 热作模具钢球化退火组织标准金相检测方法，保证检测结果准确性。同时可以给下游客户提供精准的数据支持，打造公司品牌形象，提高H13 热作模具钢市场占有率。