ti含量对h13热作模具钢组织及性能的影响

模具工业2019年第45卷第12期

Ti含量对H13热作模具钢组织及

性能的影响

王永健\\

张彦敏u’3，王要利w，韩文奎\\

于宜洛4,宋克兴u’3

(1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471023; 2.河南省有色金属材料科学与 加工技术重点实验室，河南洛阳471023; 3.有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南

洛阳471023; 4.—拖(洛阳）铸锻有限公司，河南洛阳471004)

摘要:利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和洛氏硬度计研究了 Ti含量对H13热作模具钢的力

学性能和回火稳定性的影响，并分析和讨论了试验钢淬回火后析出碳化物的类型=结果表明：Ti元素 (0.丨27%)的加入提升了 H13钢的硬度、室温抗拉强度和塑性;合金元素Ti具有细化回火马氏体板条尺 寸的效果;Ti含量为0.127%时，试验钢碳化物主要为富Cr的M23C6、M7C3、V2C和多种硬质相；微量元素 Ti(0.127%)的添加提高了 H13钢640 t以下的回火稳定性，且在高温（700 t)回火后，Ti元素提高了

H13钢的高温回火硬度。

关键词:H13钢;钦;力学性能;碳化物;Ti含量中图分类号:TG162.4 文献标识码:A 文章编号：1001-2168(2019)12-0012-05

DOI ： 10.16787/j.cnki. 1001 -2168.dmi.2019.12.003

Effect of Ti content on microstructure and properties of

H13 hot working die steel

WANG Yong-jian1, ZHANG Yan-min12'3, WANG Yao-li12'3, HAN Wen-kui1, YU Yi-luo4, SONG Ke-xing1A3

(1. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471023, China; 2.Henan Key Laboratory of Advanced Non-Ferrous Metals, Luoyang, Henan 471023, China; 3.Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals Henan Province, Luoyang,Henan 471023, China; 4.YITUO(LUOYANG)

Casting & Forging Co., Ltd., Luoyang, Henan 471004, China)

Abstract: The effects of Ti content on the mechanical properties and tempering stability of H13 hot working die steel were studied by means of scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Rockwell hardness tester, and the types of carbides in test steels after quenching and tempering were analyzed. The results showed that the addition of Ti element (0.127%) improved the hardness, room temperature tensile strength and plas­ticity of H13 steel, and the Ti element could refine the tempered martensite strip size. When the mass fraction of Ti content was 0.127%, the carbides in test steel were mainly Cr-rich M23C6, M7C3 ,V2C and various hard phases. The Ti element (0.127%) improved the tempering stability of H13 steel below 640 V and increased the high temperature tempering hardness of H13 steel after tempering at high temperature (700 \"C).Key words： H13 steel; Ti; mechanics properties; carbides; Ti content〇引言

随着模具行业向大型、复杂、精密、高效率方向

收稿日期:2019-10-15。

基金项目：国家重点研发计划项目（2016FYB0300400);河南省 杰出人才创新基金项目（182101510003):河南省创新型科技团 队项目（C20150014)。

作者简介:王永健（1994-),男（汉族）,河南周口人，硕士生研究生, 主要研究方向：新型热作模具钢H13Ti钢开发及组织性能分析。

发展，热作模具钢作为模具的重要组成部分，其服 役条件越来越苛刻，要求其具有温度高、热循环性 能、机械压力冲击大等特点，在长期服役过程中，易 导致模具失效，对企业生产效率和生产效益造成影 响，急需开发新型髙性能的热作模具钢材料[“2]。

H13钢是一种典型的热作模具钢，目前己被广泛应 用，但在服役过程中仍然会出现塑性变形、开裂和

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热磨损等失效形式，因此,要求此类模具钢具有足够的 别萃取2种试验钢的碳化物，电解液选择3%FeS〇4+

高温硬度、高温强度、韧性及良好的回火稳定性[3'

l%NaCl+l%酒石酸[15]，电流密度选择0.025 A/cm2, 微合金化技术能有效提高钢铁材料的综合性 电解时间设定为8 h:使用4%的硝酸酒精溶液对金 能，在新钢种开发中的应用越来越广泛[6'通过在 相试样进行腐蚀，采用JSM-IT100型扫描电子显微 钢中添加Ti、Nb、V等合金元素来控制晶粒尺寸，钢 镜对材料进行显微组织观察。采用EVO-18扫描电 中弥散分布的碳化物能有效增强钢的强度和硬 子显微镜及相应的Inca X-Max X射线能谱仪测定 度m°]。钛微合金化成本较低且钛资源丰富，因此钛 析出物，采用D8ADVANCE型X射线衍射仪对萃取 微合金化在国内拥有较好的应用前景和重要的应 出的碳化物进行物相分析。

用价值11|]。白玉光等™研究发现微量元素Ti在硅锰 低合金钢中具有细化晶粒、阻止形变奥氏体动态再 2

试验结果及分析 结晶及沉淀强化的作用；左茂方等[|31研究发现Ti元 2.1力学性能

素在Si-Mn系中碳弹簧钢中易与C反应生成TiC,

B含量对试验钢淬回火后力学性能的影响如 TiC具有细化奥氏体晶粒和细化马氏体板条束的效 表2所示。从表2可以看出，硬度和抗拉强度随着

果。现在H13钢成分的基础上，选择Ti微合金化技 Ti含量的升高，先增大后减小，当Ti含量为0.127% 术，通过JMatPro软件进行热力学计算，根据计算结 时，硬度和抗拉强度均达到最高值，分别为51.5

果设计熔炼一系列合金，对熔炼制备的含钛H13钢 HRC和1 788 MPa。断面收缩率和断后延伸率的变 进行机加工和热处理，然后对试验钢进行力学性能 化趋势与硬度类似，含钛H13钢的断面收缩率和断 研究及显微组织分析，探究不同Ti含量对H13钢显 后延伸率均比H13钢高。由此表明微量元素Ti 微组织和性能的影响。(0.127%)的加入提升了 H13钢的硬度、室温抗拉强 度和塑性，继续增加Ti含量，硬度、抗拉强度、断后 1试验材料与方法

延伸率及断面收缩率均呈现下降趋势。

采用JMatPro材料性能模拟软件进行合金成分 设计，根据软件模拟结果确定Ti元素质量分数的范 表2 Ti含量对试验钢淬回火后力学性能的影响

围，在模拟范围内选取4组不同Ti质量分数进行合 编号

硬度/HRC抗拉强度/MPa断后延伸率/%断面收缩率/%

金熔炼。熔炼采用50 kg多功能真空感应炉，制备 D147.81 5248.535.0含Ti量分别为0、0.丨27%、0.325%和0.536%的4组含 D251.51 7889.647.0钛H13试验钢（以下用H13Ti钢表示）,并以此分别编 D347.01 5049.045.9号为D1、D2、D3和D4,溶炼试验钢的化学成分如表1 D4

45.7

1 492

8.9

43.4

所示。将4组锻造态圆棒料机加工为012 mmx90

mm的圆柱型试样，拉伸试样按照GB/T 228-2010\"41 2.2淬回火后显微组织及碳化物分析

制样，力学性能测试试样采用1 040 t淬火x25 min+ 图1所示为试验钢1 040 t淬火和600 1 + 600 t：x2 h+580 tx2 h回火的热处理工艺。

580 T回火后微观组织形貌。从图1可以看出，Ti元 素的加入对H13钢的显微组织产生了影响。如图1

表1

熔炼试验钢的化学成分 w/%(a)所示，D1钢回火马氏体板条状形貌依然存在，但 编号

CSi

P

S

MoCr

V

Ti0

N

板条束粗化，板条束的界限变得模糊，基体周围分 D10.3810.8950.011<0.005 01.625.110.9830

0.001 60.008 8

布有许多白色析出物。Block结构是马氏体亚结构 D20.3960.9750.00620.003 11.555.101.040.1270.00150.0035中存在的一种取向相似的板条块，在回火过程中， D30.4000.9490.005 30.002 61.575.151.010.3250.001 10.005 4由于固溶碳的析出，大角度晶界的Block结构中的 D40.4000.9630.005 80.003 01.575.131.020.5360.001 20.003 4

小角度晶界内板条间距逐渐变大，马氏体板条束的

界限会变模糊|16]，由于马氏体亚结构Block分解，使 利用200HRS-150型数显洛氏硬度计测定试样 材料硬度值下降。如图1(b)所示，D2钢微观组织 淬回火后的硬度值，采用SHIMADZU AG-I 250KN存在取向不同的板条束，马氏体板条间析出有圆形 万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，每组拉伸试验 的碳化物。如图1(c)和(d)所示，D3和D4钢基体组 取3个试样,所得数据取平均值;采用电解萃取法分

织仍然为回火马氏体组织，马氏体板条形貌还没有

14

完全消除，基体上均分布有少量颗粒状圆形碳化 物。添加了合金元素Ti的D2、D3和D4钢与D1钢 相比，板条状的回火马氏体更细小，合金元素Ti起 到了细化回火马氏体的效果。

D2和D3试验钢淬回火后SEM组织观察及

EDS能谱如图2所示。从图2可以看出，试验钢组 织中存在大小不一的棒状、方形、圆形以及多边形

的大颗粒碳化物，D3钢中出现了黑色块状TiN。由 图2(a)中4点的EDS分析结果可知，Mo元素固溶 到(Ti,V)C(TiC和VC的复合相，以下表示均代表 复合合金碳化物）中，形成了复合析出的MC相粒 子。图2(c)中B点的灰色块析出物是富Ti的复合 合金碳化物(Ti,V,Mo)C,以Ti、V、Mo碳化物共生 形式存在。由图2(e)中C点的黑色块状物主要是微 米级大颗粒方形TiN，存在少部分的C和V。TiN的 尺寸与钢中Ti的质量分数有关，Ti质量分数越高，

TiN尺寸越大，对材料的强度产生不利的影响。TiC 和TiN具有与NaCl类型相同的晶体结构，并且它们 的点阵常数相差不大，因而通常会完全互溶并形成

Ti(C，N)(即 TiC 和 TiN)。

图3所示为试验钢泮回火后碳化物XRD图谱, 从图3(a)可以看出，D1钢峰强最高的衍射峰26>峰 位为43.4°,即V8C7(400)晶面的衍射峰，回火后钢中 碳化物主要以V8C7为主,VSC7主要是回火过程中从 马氏体中脱溶的二次硬化碳化物，也包括在锻造加 热的过程中未能溶于基体而保留下来的伪共晶碳 化物[nl，还存在Cr23C6、Cr7C3、MoC、Mo2C以及少量 的Fe3Mo3C碳化物。D2钢组织中析出的碳化物主 要为富 Cr 的 M23C6、M7C3、V2C、Cr7C3 和 V2C 的硬质 型碳化物，还存在富Mo的MC、M2C、M3C2型碳化 物。热处理过程中，碳原子易进入中强碳化物生成 元素Mo的晶格中生成Mo3C2、Mo2C等类型碳化物，

M〇3C2在高温时稳定存在，温度降低后通过共析反 应转变为MoC和M〇2C，冷却过程中由于元素扩散 不均匀和反应体系不均衡等原因，Mo3C2硬质相未 能完全转变而保留。由于多种硬质相的存在,D2强 硬度高于D1钢。如图3(c)和(d)所示，D3钢组织碳 化物主要为V8C7，还存在富Mo的MoC、Mo3C2以及

Cr7C3, D4钢组织碳化物主要为V2C、MoC、Mo3C2、富 Cr的Cr7C3以及少量的Fe3Mo3C和TiC。Ti元素的加 入引起了钢中碳化物类型的转变。

2.3 Ti含量及回火温度对试验钢的影响

4种试验钢经过1 0401淬火，然后分别在250、

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400、500、560、600、640、700 t 回火 2 h 后，1 040 T：淬火后在不同温度回火对试验钢硬度的影响如图4

(d)D4钢

图1试验钢1 040 t泮火和600 t+SSO尤回火后

微观组织形貌

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15

(3泊2钢4点SEM图 （b)D2钢4点EDS分析结果 （<:)03钢3点5£\\1图

(d)D3钢B点EDS分析结果 （e)D3钢(:点SEM图 （f)D3钢C点EDS分析结果

图2 D2和D3试验钢淬回火后SEM观察和EDS分析

29/(° ) 20/(° )

(a)Dl 钢(b)D2钢

30 40 50 60

2070

80 90 100

30 40 50

60 70 80 90 100

/(° )

26/(° )

(c)D3 钢

(d)D4钢

图3试验钢淬回火后碳化物XRD图谱(强度)

16

所示。从图4可以看出，试验钢的回火硬度值随温 度的变化趋势相同，随着回火温度的升高，硬度先 升高后缓慢下降，然后急剧下降。在回火过程中， 在500 左右均出现了二次硬化。试验钢硬度变化 情况为：在250~500丈时，随着回火温度的升高，试 验钢硬度值均升高，500丈回火时，出现了二次硬化 现象，D1钢硬度升高至53.6HRC，D2、D3和D4钢硬 度分别升高至56.8、52.5、50.8 HRC;回火温度高于 600 1之后，硬度均开始明显下降;700 t回火，D1、

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(3)微量元素TK0.127%)的添加提咼了 H13钢640丈以下的回火稳定性，且在高温(700丈)回火后,

Ti元素的加入均提高了 H13钢的高温回火硬度。参考文献：

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D2、D3和D4试验钢硬度分别降到28.4、31.5、30.6、 32.3 HRC。当Ti含量为0.127%时，D2试验钢在各个 温度回火后的硬度均在D1钢基础上得到了提高；当

Ti含量为0.325%和0.536%,回火温度在250~640 X. 时,D3和D4试验钢的回火硬度与D1钢相当；7001 回火后，D2、D3和D4试验钢硬度值均比D1钢高。 由此表明，微量元素Ti(0.127%)的添加提高了 H13 钢640 t以下的回火稳定性，且在高温(700 ^C)回火 后,Ti元素的加入均提高了H13钢的高温回火硬度。52

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图4 1 040 =1[：淬火后在不同温度回火对试验钢硬度的影响

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的硬度、室温抗拉强度和塑性。随着Ti含量的继续 增加，硬度、抗拉强度、断后延伸率及断面收缩率均 呈下降的趋势,且加入Ti的H13钢断面收缩率和断 后延伸率均比H13钢高。

(2)

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