科首韩步定藏段拼片▣ 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vol 33 No 1 2011年1月 Journal of Un iersity of Science and Technology Beijing Jan 2011 喷射沉积H13钢的组织和硬度 黄进峰1☒ 蔡玉丽”于一鹏)崔华》张济山” 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，Emai让huang j@263.net 摘要用传统铸造和喷射成形工艺制备了H13钢，然后再进行锻造加工，利用光学金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜 (SEM)、X射线衍射分析(XRD)等分析方法及硬度测试对不同工艺制备的H13钢的显微组织和硬度进行分析.研究结果表 明，喷射成形及其锻造加工的H13钢的组织及硬度明显的优于传统工艺制备的H13钢. 关键词模具钢；喷射成形；显微组织；硬度 分类号TG1421 M icrostructure and hardness of spray fom ed H13 steel HUANG Jin feng,CAI Yu YU Yi peng',CUIHua,ZHANG Ji han 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials University of Science and Technology Beijng Beijing 100083.China 2)School of Materials Seience and Engineering University of Seience and Technobgy Beijng Beijng 100083,China Corresponding au thor E mail huang j@263 net ABSTRACT H13 steel was prepared by traditional processes and spray fom ing respectively,then it was subjected to forging proces ses The m icmostructure and hardness ofH13 steel prepared by different processes were studied by opticalm icroscopy (OM),scanning electron m icroscopy (SEM),X ray diffraction (XRD)and hardness tester The results show that the spray fomed and forged H13 steel possesses a finer grain size and a higher hardness than traditional H13 steel KEY W ORDS die steel spray fom ing m icrostnucture;hardness 喷射成形技术是把液态金属的雾化和雾化熔滴 的发展也极为迅速.由于工业生产技术的发展和不 的沉积自然结合起来，在一步冶金操作中完成，以最 断出现的新材料，工模具的工作条件日益苛刻，对工 少的工序，直接从液态金属制取具有快速凝固组织、 模具钢的性能、品质和品种等方面不断地提出了新 整体致密以及接近零件实际形状的高性能材料或半 的要求.为此，世界各国近年来都积极开发了具有 成品坯件的技术.喷射成形工艺能够使合金中粗大 各种特性、适应不同性能要求的新型工模具钢.H13 的组织发生破碎而细化为等轴状的微观组织，同时 钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢，具 可以增大合金元素的过饱和度、消除宏观偏析等，成 有高的淬透性和抗热裂能力.广泛应用于热锻模、 为替代传统制备技术的新材料制备技术山·.因此， 热挤压模和有色金属压铸模. 喷射成形技术对于冶金材料制备行业来讲，有着广 由于H13钢被广泛应用，具有代表性，因此本 泛的适应性，是标志材料制备技术更新换代的一种 文以H13钢为研究对象，分别用传统铸造和喷射成 新型技术手段，在国际上，与半固态加工、薄板坯铸 形技术制备H13钢，由于喷射成形的沉积坯会有一 轧一起被誉为21世纪材料制备工艺发展的三大技 些孔隙，因此对其进行锻造加工，得到更加致密的组 术之一，并被称为朱来材料制备技术之星”5刃. 织，经过对喷射成形及其锻造加工的H13钢的组织 近年来，随着工模具行业的迅速发展，工模具钢 和性能的检测分析，并与传统工艺铸造和铸锻方法 收稿日期：20091124 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(Na2007AA03Z502)
第 ３３卷 第 １期 ２０１１年 １月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１１ 喷射沉积 Ｈ１３钢的组织和硬度 黄进峰 １） 蔡玉丽 １） 于一鹏 １） 崔 华 ２） 张济山 １） １）北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 １０００８３ ２）北京科技大学材料科学与工程学院，北京 １０００８３ 通信作者，Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｊｆ＠２６３．ｎｅｔ 摘 要 用传统铸造和喷射成形工艺制备了 Ｈ１３钢，然后再进行锻造加工，利用光学金相显微镜（ＯＭ）、扫描电子显微镜 （ＳＥＭ）、Ｘ射线衍射分析（ＸＲＤ）等分析方法及硬度测试对不同工艺制备的 Ｈ１３钢的显微组织和硬度进行分析．研究结果表 明，喷射成形及其锻造加工的 Ｈ１３钢的组织及硬度明显的优于传统工艺制备的 Ｈ１３钢． 关键词 模具钢；喷射成形；显微组织；硬度 分类号 ＴＧ１４２１ ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄＨ１３ｓｔｅｅｌ ＨＵＡＮＧＪｉｎｆｅｎｇ １） ，ＣＡＩＹｕｌｉ １），ＹＵＹｉｐｅｎｇ １），ＣＵＩＨｕａ ２），ＺＨＡＮＧＪｉｓｈａｎ １） １）ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ ２）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｊｆ＠２６３．ｎｅｔ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｈ１３ｓｔｅｅｌｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎｉｔｗａｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｆｏｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓ ｓｅｓ．ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆＨ１３ｓｔｅｅｌｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＯＭ），ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），Ｘｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）ａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔｅｒ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄａｎｄｆｏｒｇｅｄＨ１３ ｓｔｅｅｌｐｏｓｓｅｓｓｅｓａｆｉｎｅｒｇｒａｉｎｓｉｚｅａｎｄａｈｉｇｈｅｒｈａｒｄｎｅｓｓｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＨ１３ｓｔｅｅｌ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｄｉｅｓｔｅｅｌ；ｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈａｒｄｎｅｓｓ 收稿日期：２００９ １１ ２４ 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（Ｎｏ．２００７ＡＡ０３Ｚ５０２） 喷射成形技术是把液态金属的雾化和雾化熔滴 的沉积自然结合起来，在一步冶金操作中完成，以最 少的工序，直接从液态金属制取具有快速凝固组织、 整体致密以及接近零件实际形状的高性能材料或半 成品坯件的技术．喷射成形工艺能够使合金中粗大 的组织发生破碎而细化为等轴状的微观组织，同时 可以增大合金元素的过饱和度、消除宏观偏析等，成 为替代传统制备技术的新材料制备技术 ［１４］．因此， 喷射成形技术对于冶金材料制备行业来讲，有着广 泛的适应性，是标志材料制备技术更新换代的一种 新型技术手段，在国际上，与半固态加工、薄板坯铸 轧一起被誉为 ２１世纪材料制备工艺发展的三大技 术之一，并被称为“未来材料制备技术之星” ［５７］． 近年来，随着工模具行业的迅速发展，工模具钢 的发展也极为迅速．由于工业生产技术的发展和不 断出现的新材料，工模具的工作条件日益苛刻，对工 模具钢的性能、品质和品种等方面不断地提出了新 的要求．为此，世界各国近年来都积极开发了具有 各种特性、适应不同性能要求的新型工模具钢．Ｈ１３ 钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢，具 有高的淬透性和抗热裂能力．广泛应用于热锻模、 热挤压模和有色金属压铸模． 由于 Ｈ１３钢被广泛应用，具有代表性，因此本 文以 Ｈ１３钢为研究对象，分别用传统铸造和喷射成 形技术制备 Ｈ１３钢，由于喷射成形的沉积坯会有一 些孔隙，因此对其进行锻造加工，得到更加致密的组 织，经过对喷射成形及其锻造加工的 Ｈ１３钢的组织 和性能的检测分析，并与传统工艺铸造和铸锻方法 犇犗犐牶牨牥牣牨牫牱牬牤犼牣犻狊狀牨牥牨牠牥牭牫狓牣牪牥牨牣牥牨牣牥牭
第1期 黄进峰等：喷射沉积H13钢的组织和硬度 ·29* 生产的H13钢的组织及性能进行比较，探讨喷射成 冲击功.碳化物带状偏析和网状碳化物，经常规热 形及其锻造加工的组织和性能的特点 处理工艺处理后，往往不能消除，可以遗传到最终热 处理的组织中，直接影响最终热处理后的组织和 1实验方法 性能. 11喷射成形H13钢的制备 图1是铸态、铸锻态、喷射成形和喷锻的H13 H13钢在25kg真空炉氧化镁坩埚中感应熔化， 钢的显微组织金相照片.从照片中可以看出：铸造 熔化的金属通过中间包进行雾化，熔融的金属被氨 H13钢的显微组织主要是粗大的枝晶和枝晶间粗大 气雾化成小液滴，氮气的压力是13MPa被加速的 的碳化物图1(a)):而锻造打碎了粗大的枝晶，进 液滴沉积在旋转的基板上，随着沉积坯的增长，基板 一步细化晶粒，晶粒大小为100~150um 向后移动，保证基板到喷嘴的距离是一个常数.其 图1(b)).在雾化和沉积过程中，高的冷却速率抑 化学成分如表1所示 制了大范围的偏析和晶粒的粗化，同时增加了合金 表1喷射成形H13钢的化学成分质量分数) 的固溶度.喷射成形H13钢的组织，主要是等轴晶 Table 1 Chemn ical composition of spray fomed H13 steel 粒，晶粒大小为20~30m图1(c)).喷锻的组织 C Si Mn Cr Mo V Fe 晶粒更加细小均匀，晶粒小于10um,组织更加致 041102040521140092≤003≤003余量 密，喷射成形的组织中存在一些孔隙图1(c)中的 黑点)，而锻造后组织中没有孔隙 12锻造工艺 图2为铸态和喷射成形态的H13钢的XRD相 采用750kg空气锤，开锻温度为1160℃，终锻 分析结果.从图中可以看出，铸态和喷射成形态主 温度不低于950℃.将喷射成形后的沉积坯锻造成 要都是由马氏体M)和残余奥氏体(y)组成 φ25mm左右试样. 根据XRD衍射结果计算铸态含残余奥氏体体 13回火工艺 积分数为%，喷射成形态的残余奥氏体体积分数 分别对喷射成形沉积态及其锻造后的样品在淬 为30%.由此可看出，铸态比喷射成形H13钢的组 火后同时进行回火，分别经过500.550.600.650和 织中马氏体的含量相对高.关于喷射成形H13钢存 700℃五个温度的回火处理，保温2h然后空冷.以 在残余奥氏体的原因，相关报道81解释为喷射成 比较同种材料沉积态和锻造态的组织及性能特点. 形过程比传统铸造的冷却速度快，使合金元素大量 14组织与硬度测试 保留在奥氏体中，提高奥氏体稳定性，马氏体转变开 采用光学金相显微镜(OM)、Cambridge S250 始的Ms温度提高. 型扫描电镜(SM)分析材料的组织与第二相形貌 22不同工艺状态H13钢的硬度 特征，并用PH ILIPS APD10型X射线衍射(XRD) 对铸态、铸锻态、喷射成形及喷锻这四种状态在 仪等对材料不同状态下的相组成等进行研究.此 热处理前检测其洛氏硬度，结果如表2所示 外，用HR150D洛氏硬度计进行硬度测试 从表中可以看出：铸态硬度比较低，因为铸态组 织晶粒粗大，偏析严重，存在共晶组织，因此硬度比 2实验结果和讨论 较低：实验所得铸态硬度能达到HRC546,是因为 21不同工艺状态H13钢的组织 实验用的铸锭比较小，冷却很快，相当于空淬，而工 H13钢由于碳和合金元素的作用，特别是铬元 业生产中的铸锭体积大，冷却缓慢，为退火组织，其 素的作用，使铸锭在冷却过程中，产生严重的宏观成 硬度很低.在锻造时，经过高温加热，部分残余奥氏 分偏析，在铸锭的个别区域，尤其是最后凝固的中心 体分解，锻造成圆棒，冷却比较快，使组织中马氏体 区域，碳和合金元素富集到共晶成分，出现少量不平 的量增多，所以锻造后硬度升高. 衡的亚稳定共晶碳化物，共晶碳化物由边部向心部 喷射成形的雾化和沉积过程中高的冷却速率抑 逐渐增加，使冲击韧性逐渐降低.宏观偏析严重的 制了元素的偏析并细化了晶粒，其雾化过程相当于 铸态组织经过变形，具有不同化学成分的各显微区 金属液滴从液态直接淬火，碳和合金元素几乎全部 域拉长并形成带状组织，显著降低H13的塑性指 溶解，故淬火后显示出比同样成分锻造组织更高的 标，尤其是横向的冲击韧性.缓慢冷却的铸态组织 硬度 会形成二次碳化物网络，从而弱化晶界，造成裂纹优 喷锻的硬度比喷射成形态的高，这是因为锻后 先在碳化物聚集的晶界处形成，并沿晶界扩展，降低 组织更细化，致密度更高；同时，锻造加工后比加工
第 １期 黄进峰等：喷射沉积 Ｈ１３钢的组织和硬度 生产的 Ｈ１３钢的组织及性能进行比较，探讨喷射成 形及其锻造加工的组织和性能的特点． １ 实验方法 １１ 喷射成形 Ｈ１３钢的制备 Ｈ１３钢在２５ｋｇ真空炉氧化镁坩埚中感应熔化， 熔化的金属通过中间包进行雾化，熔融的金属被氮 气雾化成小液滴，氮气的压力是 １３ＭＰａ，被加速的 液滴沉积在旋转的基板上，随着沉积坯的增长，基板 向后移动，保证基板到喷嘴的距离是一个常数．其 化学成分如表 １所示． 表 １ 喷射成形 Ｈ１３钢的化学成分（质量分数） Ｔａｂｌｅ１ ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄＨ１３ｓｔｅｅｌ ％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｍｏ Ｖ Ｐ Ｓ Ｆｅ ０４１ １０２ ０４０ ５２１ １４０ ０９２ ≤００３ ≤００３ 余量 １２ 锻造工艺 采用 ７５０ｋｇ空气锤，开锻温度为 １１６０℃，终锻 温度不低于 ９５０℃．将喷射成形后的沉积坯锻造成 ２５ｍｍ左右试样． １３ 回火工艺 分别对喷射成形沉积态及其锻造后的样品在淬 火后同时进行回火，分别经过 ５００、５５０、６００、６５０和 ７００℃五个温度的回火处理，保温 ２ｈ，然后空冷．以 比较同种材料沉积态和锻造态的组织及性能特点． １４ 组织与硬度测试 采用光学金相显微镜（ＯＭ）、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｓ２５０ 型扫描电镜（ＳＥＭ）分析材料的组织与第二相形貌 特征，并用 ＰＨＩＬＩＰＳＡＰＤ １０型 Ｘ射线衍射（ＸＲＤ） 仪等对材料不同状态下的相组成等进行研究．此 外，用 ＨＲ １５０Ｄ洛氏硬度计进行硬度测试． ２ 实验结果和讨论 ２１ 不同工艺状态 Ｈ１３钢的组织 Ｈ１３钢由于碳和合金元素的作用，特别是铬元 素的作用，使铸锭在冷却过程中，产生严重的宏观成 分偏析，在铸锭的个别区域，尤其是最后凝固的中心 区域，碳和合金元素富集到共晶成分，出现少量不平 衡的亚稳定共晶碳化物，共晶碳化物由边部向心部 逐渐增加，使冲击韧性逐渐降低．宏观偏析严重的 铸态组织经过变形，具有不同化学成分的各显微区 域拉长并形成带状组织，显著降低 Ｈ１３的塑性指 标，尤其是横向的冲击韧性．缓慢冷却的铸态组织 会形成二次碳化物网络，从而弱化晶界，造成裂纹优 先在碳化物聚集的晶界处形成，并沿晶界扩展，降低 冲击功．碳化物带状偏析和网状碳化物，经常规热 处理工艺处理后，往往不能消除，可以遗传到最终热 处理的组织中，直接影响最终热处理后的组织和 性能． 图 １是铸态、铸锻态、喷射成形和喷锻的 Ｈ１３ 钢的显微组织金相照片．从照片中可以看出：铸造 Ｈ１３钢的显微组织主要是粗大的枝晶和枝晶间粗大 的碳化物（图 １（ａ））；而锻造打碎了粗大的枝晶，进 一步 细 化 晶 粒，晶 粒 大 小 为 １００ ～１５０μｍ （图 １（ｂ））．在雾化和沉积过程中，高的冷却速率抑 制了大范围的偏析和晶粒的粗化，同时增加了合金 的固溶度．喷射成形 Ｈ１３钢的组织，主要是等轴晶 粒，晶粒大小为 ２０～３０μｍ（图 １（ｃ））．喷锻的组织 晶粒更加细小均匀，晶粒小于 １０μｍ，组织更加致 密，喷射成形的组织中存在一些孔隙（图 １（ｃ）中的 黑点），而锻造后组织中没有孔隙． 图 ２为铸态和喷射成形态的 Ｈ１３钢的 ＸＲＤ相 分析结果．从图中可以看出，铸态和喷射成形态主 要都是由马氏体（Ｍ）和残余奥氏体（γ）组成． 根据 ＸＲＤ衍射结果计算铸态含残余奥氏体体 积分数为 ７％，喷射成形态的残余奥氏体体积分数 为 ３０％．由此可看出，铸态比喷射成形 Ｈ１３钢的组 织中马氏体的含量相对高．关于喷射成形 Ｈ１３钢存 在残余奥氏体的原因，相关报道 ［８１０］解释为喷射成 形过程比传统铸造的冷却速度快，使合金元素大量 保留在奥氏体中，提高奥氏体稳定性，马氏体转变开 始的 Ｍｓ温度提高． ２２ 不同工艺状态 Ｈ１３钢的硬度 对铸态、铸锻态、喷射成形及喷锻这四种状态在 热处理前检测其洛氏硬度，结果如表 ２所示． 从表中可以看出：铸态硬度比较低，因为铸态组 织晶粒粗大，偏析严重，存在共晶组织，因此硬度比 较低；实验所得铸态硬度能达到 ＨＲＣ５４６，是因为 实验用的铸锭比较小，冷却很快，相当于空淬，而工 业生产中的铸锭体积大，冷却缓慢，为退火组织，其 硬度很低．在锻造时，经过高温加热，部分残余奥氏 体分解，锻造成圆棒，冷却比较快，使组织中马氏体 的量增多，所以锻造后硬度升高． 喷射成形的雾化和沉积过程中高的冷却速率抑 制了元素的偏析并细化了晶粒，其雾化过程相当于 金属液滴从液态直接淬火，碳和合金元素几乎全部 溶解，故淬火后显示出比同样成分锻造组织更高的 硬度． 喷锻的硬度比喷射成形态的高，这是因为锻后 组织更细化，致密度更高；同时，锻造加工后比加工 ·２９·
·30- 北京科技大学学报 第33卷 100μm 100m 100m 100m 图1H13钢的组织照片.(a)铸态：(b)铸锻态：()喷射成形态；(d)喷锻 Fg 1 Photm iemgraphs ofH13 tool steel (a)casting (b)forging (c)spmay fom ing (d)spray fom ing and forging 7500[a M(10I) 2800- M10I) 6500 2400 5500 2000 4500 主 3500 2500 厨 800 1500 111) M(211) 200, 311) 200) M(200) 400 1220。 500 220,311)M220 M200) 32 40 粥 566472808896 324048566472808896 20) 20) 图2H13钢的XRD谱.(a)铸态：(b)喷射成形 Fig 2 X ray diffraction pattems of H13 steel (a)casting (b)spray foming 前马氏体的量相对增加，残余奥氏体的量相对减少， 的电子显微镜下的照片如图3所示. 表现在性能上，致密加工后硬度稍高些 通过对基体和晶界碳化物进行扫描分析发现， 基体主要是固溶C和S的马氏体，晶界的白色析 表2四种状态下H13钢的硬度HRC) 出物是CxMo和V的碳化物，Cr一部分固溶在基体 Table 2 Hanness of H13 steel under four states 中，一部分以碳化物形式在晶界析出，而Mo和V主 工艺状态 铸态 铸锻态 喷射成形态 喷锻 要是以碳化物的形式在晶界析出. 硬度，HRC 546 572 605 612 H13钢的回火过程实质上就是过饱和的α固 溶体的脱溶过程，这个过程受α相中CrMo和V等 23不同工艺状态H13钢在不同温度回火后的组 合金元素的扩散控制，由于合金元素在500℃以下 织和硬度 不能足够快地扩散川，以使合金碳化物形核.C易 (1)喷锻H13钢不同温度回火后的SEM组织. 扩散，因而先形成ε碳化物和渗碳体，在H13钢的 喷锻H13钢经500.550600.650和700℃回火后在 回火过程中，合金碳化物将要不断地取代预先形成
北 京 科 技 大 学 学 报 第 ３３卷 图 １ Ｈ１３钢的组织照片．（ａ）铸态；（ｂ）铸锻态；（ｃ）喷射成形态；（ｄ）喷锻 Ｆｉｇ．１ ＰｈｏｔｏｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＨ１３ｔｏｏｌｓｔｅｅｌ：（ａ）ｃａｓｔｉｎｇ；（ｂ）ｆｏｒｇｉｎｇ；（ｃ）ｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇ；（ｄ）ｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｆｏｒｇｉｎｇ 图 ２ Ｈ１３钢的 ＸＲＤ谱．（ａ）铸态；（ｂ）喷射成形 Ｆｉｇ．２ ＸｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＨ１３ｓｔｅｅｌ：（ａ）ｃａｓｔｉｎｇ；（ｂ）ｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇ 前马氏体的量相对增加，残余奥氏体的量相对减少， 表现在性能上，致密加工后硬度稍高些． 表 ２ 四种状态下 Ｈ１３钢的硬度（ＨＲＣ） Ｔａｂｌｅ２ ＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＨ１３ｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｆｏｕｒｓｔａｔｅｓ 工艺状态 铸态 铸锻态 喷射成形态 喷锻 硬度，ＨＲＣ ５４６ ５７２ ６０５ ６１２ ２３ 不同工艺状态 Ｈ１３钢在不同温度回火后的组 织和硬度 （１）喷锻 Ｈ１３钢不同温度回火后的 ＳＥＭ组织． 喷锻 Ｈ１３钢经 ５００、５５０、６００、６５０和 ７００℃回火后在 的电子显微镜下的照片如图 ３所示． 通过对基体和晶界碳化物进行扫描分析发现， 基体主要是固溶 Ｃｒ和 Ｓｉ的马氏体，晶界的白色析 出物是 Ｃｒ、Ｍｏ和 Ｖ的碳化物，Ｃｒ一部分固溶在基体 中，一部分以碳化物形式在晶界析出，而 Ｍｏ和 Ｖ主 要是以碳化物的形式在晶界析出． Ｈ１３钢的回火过程实质上就是过饱和的 α固 溶体的脱溶过程，这个过程受 α相中 Ｃｒ、Ｍｏ和 Ｖ等 合金元素的扩散控制，由于合金元素在 ５００℃以下 不能足够快地扩散 ［１１］，以使合金碳化物形核．Ｃ易 扩散，因而先形成 ε碳化物和渗碳体，在 Ｈ１３钢的 回火过程中，合金碳化物将要不断地取代预先形成 ·３０·
第1期 黄进峰等：喷射沉积H13钢的组织和硬度 ·31· 池 2 um 德 e 图3不同温度回火后喷锻H13钢的SEM照片.(a)500℃：(b)550℃：(c600℃；(d650℃；(e)700℃ Fg3 SEM photogmaphs of spraying and forging H13 temnpered at different ionpemtures(a)500℃；(b)550℃；(d)600℃；(d)650℃；(e) 700℃ 的渗碳体.在回火的早期阶段，回火组织与淬火组 织形态差别不大，α相板条形状与淬火态基本一样， 为回火马氏体，如图3(a)所示.合金元素CrMo.V 和S等抑制回火初期碳原子的偏聚以及马氏体和 50 残余奥氏体的分解.尤其是$元素，其质量分数已 45以 40 达到102%，这种元素对过渡碳化物（ε碳化物）有 图 一机积态 35 一·一沉积锻造态 稳定化作用，阻碍0F©C的形核与长大.有研究表 30 ·一铸沿锻造态 明，H13钢在520℃左右会出现二次硬化峰，回 一铸态 火组织是回火马氏体 20 500 550 600 650 700 在550℃回火时，组织仍然是回火马氏体，如 温度℃ 图3(b)所示.当回火温度进一步升高到600℃时， 图4四种状态的H13钢在不同回火温度下的硬度 硬度开始下降，回火组织开始向回火索氏体过渡，α Fig 4 Harness of H13 steel under four states tempered at different 相进一步得到恢复，部分板条已合并，如图3（©）所 tem peratures 示.当回火温度进一步升高到650℃时，如图3(d) 马氏体存在固溶强化和高密度位错产生的亚结构强 所示，碳化物大小不均，部分聚集长大，有碳化物析 化等，使马氏体的硬度较高，而索氏体是粒状渗碳体 出，但此时恢复引起的软化占主导地位.当回火温 和等轴状铁素体所构成的复相组织，其硬度和马氏 度到700℃时，由于碳化物粒子粗化，其组织是由粗 体相比较低，因此当组织由马氏体转变为索氏体时， 化的粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的索氏体， 使钢的硬度降低. 此时硬度急剧下降，如图3(e)和图4所示. 喷射成形态在600℃回火时，硬度仍能保持在 (2)四种工艺状态H13钢在不同回火温度下的 HRC60,显示出具有很高的回火稳定性.喷锻态使 硬度.从图4可以看出，铸态、铸锻态H13钢在 材料的强度有所提高，但合金元素固溶度有所下降， 600℃回火时硬度迅速下降1).这是因为铸态和俦 故回火后硬度较喷射成形态下降HRC52,但硬度 锻态在600℃回火时组织由马氏体转变为索氏体， 保持在HRC55,和锻态550℃回火硬度HRC562
第 １期 黄进峰等：喷射沉积 Ｈ１３钢的组织和硬度 图 ３ 不同温度回火后喷锻 Ｈ１３钢的 ＳＥＭ照片．（ａ）５００℃；（ｂ）５５０℃；（ｃ）６００℃；（ｄ）６５０℃；（ｅ）７００℃ Ｆｉｇ．３ ＳＥＭｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｓｐｒａｙｉｎｇａｎｄｆｏｒｇｉｎｇＨ１３ｔｅｍｐｅｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ：（ａ）５００℃；（ｂ）５５０℃；（ｃ）６００℃；（ｄ）６５０℃；（ｅ） ７００℃ 的渗碳体．在回火的早期阶段，回火组织与淬火组 织形态差别不大，α相板条形状与淬火态基本一样， 为回火马氏体，如图 ３（ａ）所示．合金元素 Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ 和 Ｓｉ等抑制回火初期碳原子的偏聚以及马氏体和 残余奥氏体的分解．尤其是 Ｓｉ元素，其质量分数已 达到 １０２％，这种元素对过渡碳化物（ε碳化物）有 稳定化作用，阻碍 θ Ｆｅ３Ｃ的形核与长大．有研究表 明，Ｈ１３钢在 ５２０℃左右会出现二次硬化峰 ［１２］，回 火组织是回火马氏体． 在 ５５０℃回火时，组织仍然是回火马氏体，如 图 ３（ｂ）所示．当回火温度进一步升高到 ６００℃时， 硬度开始下降，回火组织开始向回火索氏体过渡，α 相进一步得到恢复，部分板条已合并，如图 ３（ｃ）所 示．当回火温度进一步升高到 ６５０℃时，如图 ３（ｄ） 所示，碳化物大小不均，部分聚集长大，有碳化物析 出，但此时恢复引起的软化占主导地位．当回火温 度到 ７００℃时，由于碳化物粒子粗化，其组织是由粗 化的粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的索氏体， 此时硬度急剧下降，如图 ３（ｅ）和图 ４所示． （２）四种工艺状态 Ｈ１３钢在不同回火温度下的 硬度．从图 ４可以看出，铸态、铸锻态 Ｈ１３钢在 ６００℃回火时硬度迅速下降 ［１３］．这是因为铸态和铸 锻态在 ６００℃回火时组织由马氏体转变为索氏体， 图 ４ 四种状态的 Ｈ１３钢在不同回火温度下的硬度 Ｆｉｇ．４ ＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＨ１３ｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｆｏｕｒｓｔａｔｅｓｔｅｍｐｅｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 马氏体存在固溶强化和高密度位错产生的亚结构强 化等，使马氏体的硬度较高，而索氏体是粒状渗碳体 和等轴状铁素体所构成的复相组织，其硬度和马氏 体相比较低，因此当组织由马氏体转变为索氏体时， 使钢的硬度降低． 喷射成形态在 ６００℃回火时，硬度仍能保持在 ＨＲＣ６０，显示出具有很高的回火稳定性．喷锻态使 材料的强度有所提高，但合金元素固溶度有所下降， 故回火后硬度较喷射成形态下降 ＨＲＣ５２，但硬度 保持在 ＨＲＣ５５，和锻态 ５５０℃回火硬度 ＨＲＣ５６２ ·３１·
·32 北京科技大学学报 第33卷 基本相同.这是因为喷锻态在600℃回火时，组织 [4]Huang H I Zhang JS.Feng H.Effect of Mn on Fe phases n 仍然是马氏体，如图3(c)所示，但是开始向回火索 spray deposited Al25Si xFe yMn alboys J Univ Sci Technol Bei jmg2010.32(2):219 氏体过渡，部分板条马氏体开始合并.直到650℃ 黄海军，张济山，冯皓.Mn对喷射沉积A125 Si xFe Mn 回火时，喷射成形态和喷锻态的硬度才迅速下降，因 合金中Fe相的影响.北京科技大学学报，2010.32(2)：219) 为此时的组织由马氏体转变为回火索氏体 [5]LiY.Yang B.A technology on metal of spmay atm ization J Yun 由此可见，喷射成形态和喷锻态的红硬性比传 nan Univ Technol Nat Sci 2002.24(1):228 统方式铸态和铸锻态的提高约50℃. 停阳，杨滨.金属雾化喷射沉积技术.云南大学学报：自然科 学版.2002.24(1)：228) 3结论 [6]Zhang Y,Fan J F.He Y D.et al Movanent and heat transfer of sngle droplet in the process ofmetal spray fom ing J Baotou Univ (1)传统铸造的H13钢是粗大的枝晶，晶粒尺 Imon Steel Technol 2003.22 (3):212 寸为100~150μm,喷射成形是细小的等轴晶，晶粒 张胤，樊俊飞，贺友多，等.金属喷射成型过程单颗粒液滴的 尺寸为20~30um,硬度也由传统铸造的HRC546 运动和传热研究.包头钢铁学院学报，2003.22(3)：212) 提高到HRC605,经过锻造后，喷锻态硬度达到 [7]Wu C Y,Zhang L Y.Powder Fom ing Mechanics Beijng Metal hrgical Industry Press 2003 HRC612,比铸锻态的硬度提高了HRC4 俁成义，张丽英.粉体成形力学原理.北京：冶金工业出版 (2)喷射成形比传统铸锻方式的H13钢能够固 社，2003) 溶更大量的合金元素，因此使喷射成形奥氏体的稳 [8]Mdugh K M.Lin Y.Zhou Y B.et al Influence of cooling rate 定性提高，使马氏体转变开始的Ms温度提高 on phase fomation n spray omed H13 tool steel Mater Sci Eng (3)铸态、铸锻H13钢在600℃回火时，硬度迅 A2008.477:50 速下降，硬度分别是HRC431和HRC475,而喷 [9]Zhang JG.Xu H B.ShiH S et al M icmstnctire and pmoperties of spmay fomed Cd2M oV steel for rolls J Mater P mcess Technol 射成形态和喷锻态的H13钢直到650℃回火时，硬 2001,11上：79 度才降到HRC47和HRC464由此可见，喷射成 [10] Zhang JG.ShiH S.Sun D S Research n spray fom ing tech 形H13钢的红硬性较传统方式提高约50℃. nobgy and its applications n metallungy JMater Pmcess Techn (4)喷射成形H13钢的高硬度来源于高温雾化 ol2003.138357 [11] 使碳和合金元素具有最大的固溶度，冷却淬火时获 Honeycanbe W K.Micmostnuchue and Properties of Steel Trans lated by Fu JY.Beijing Metallugical Industry Press 1985 得了极高的性能，同时也使材料回火稳定性显著提 嚯尼库姆WK钢的显微组织和性能.傅俊岩译.北京：冶 高，600℃回火时仍为回火马氏体.故模具钢具有更 金工业出版社，1985) 好的使用温度和寿命 [12]Liu Z C.Du Z W,Zhu W F.et al Secondary of H13 steel during tompering Ondnance Ma ter Sci Eng.2001.24 (3): 参考文献 11 [1]G mnt PS Spray fom ing Pmg Mater Sci 1995,39:497 刘宗昌，杜志伟，朱文方，等.H13钢的回火二次硬化.兵器 [2]Anand S.Srivatsan T S Wu Y.et al Processng m icmstnuicture 材料科学与工程，2001,24(3)：11) and fracture behav ior of spray atom ized and deposited ahm mnim [13]LiG N.P rpa ra tion and Study of M icrostnucture Cha racteristic of silicon alloy.J Ma ter Sci 1997,32:2835 Spray fomed H13 steel [Dissertation ]Beijing University of [3]W ang F,Yang B.Duan X I et al The m icrostnucture and me Science and Technology Beijing 2008:62 chanical pmoperties of spray deposited hyperutectic AlSiFe al 李冠楠.喷射成形H13钢的制备和组织特征研究学位论 loy J Mater P mocess Technol 2003,137:191 文】.北京：北京科技大学，200862)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 ３３卷 基本相同．这是因为喷锻态在 ６００℃回火时，组织 仍然是马氏体，如图 ３（ｃ）所示，但是开始向回火索 氏体过渡，部分板条马氏体开始合并．直到 ６５０℃ 回火时，喷射成形态和喷锻态的硬度才迅速下降，因 为此时的组织由马氏体转变为回火索氏体． 由此可见，喷射成形态和喷锻态的红硬性比传 统方式铸态和铸锻态的提高约 ５０℃． ３ 结论 （１）传统铸造的 Ｈ１３钢是粗大的枝晶，晶粒尺 寸为 １００～１５０μｍ，喷射成形是细小的等轴晶，晶粒 尺寸为 ２０～３０μｍ，硬度也由传统铸造的 ＨＲＣ５４６ 提高到 ＨＲＣ６０５，经过锻造后，喷锻态硬度达到 ＨＲＣ６１２，比铸锻态的硬度提高了 ＨＲＣ４． （２）喷射成形比传统铸锻方式的 Ｈ１３钢能够固 溶更大量的合金元素，因此使喷射成形奥氏体的稳 定性提高，使马氏体转变开始的 Ｍｓ温度提高． （３）铸态、铸锻 Ｈ１３钢在 ６００℃ 回火时，硬度迅 速下降，硬度分别是 ＨＲＣ４３１和 ＨＲＣ４７５，而喷 射成形态和喷锻态的 Ｈ１３钢直到 ６５０℃回火时，硬 度才降到 ＨＲＣ４７和 ＨＲＣ４６４．由此可见，喷射成 形 Ｈ１３钢的红硬性较传统方式提高约 ５０℃． （４）喷射成形 Ｈ１３钢的高硬度来源于高温雾化 使碳和合金元素具有最大的固溶度，冷却淬火时获 得了极高的性能，同时也使材料回火稳定性显著提 高，６００℃回火时仍为回火马氏体．故模具钢具有更 好的使用温度和寿命． 参 考 文 献 ［１］ ＧｒａｎｔＰＳ．Ｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇ．ＰｒｏｇＭａｔｅｒＳｃｉ，１９９５，３９：４９７ ［２］ ＡｎａｎｄＳ，ＳｒｉｖａｔｓａｎＴＳ，ＷｕＹ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｓｐｒａｙａｔｏｍｉｚｅｄａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｓｉｌｉｃｏｎａｌｌｏｙ．ＪＭａｔｅｒＳｃｉ，１９９７，３２：２８３５ ［３］ ＷａｎｇＦ，ＹａｎｇＢ，ＤｕａｎＸＪ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｐｒａｙｄｅｐｏｓｉｔｅｄｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃＡｌＳｉＦｅａｌ ｌｏｙ．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ，２００３，１３７：１９１ ［４］ ＨｕａｎｇＨＪ，ＺｈａｎｇＪＳ，ＦｅｎｇＨ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＭｎｏｎＦｅｐｈａｓｅｓｉｎ ｓｐｒａｙｄｅｐｏｓｉｔｅｄＡｌ２５ＳｉｘＦｅｙＭｎａｌｌｏｙｓ．ＪＵｎｉｖＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢｅｉ ｊｉｎｇ，２０１０，３２（２）：２１９ （黄海军，张济山，冯皓．Ｍｎ对喷射沉积 Ａｌ２５ＳｉｘＦｅ ｙＭｎ 合金中 Ｆｅ相的影响．北京科技大学学报，２０１０，３２（２）：２１９） ［５］ ＬｉＹ，ＹａｎｇＢ．Ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｍｅｔａｌｏｆｓｐｒａｙａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ．ＪＹｕｎ ｎａｎＵｎｉｖＴｅｃｈｎｏｌＮａｔＳｃｉ，２００２，２４（１）：２２８ （李阳，杨滨．金属雾化喷射沉积技术．云南大学学报：自然科 学版，２００２，２４（１）：２２８） ［６］ ＺｈａｎｇＹ，ＦａｎＪＦ，ＨｅＹＤ，ｅｔａｌ．Ｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆ ｓｉｎｇｌｅｄｒｏｐｌｅｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇ．ＪＢａｏｔｏｕＵｎｉｖ ＩｒｏｎＳｔｅｅｌＴｅｃｈｎｏｌ，２００３，２２（３）：２１２ （张胤，樊俊飞，贺友多，等．金属喷射成型过程单颗粒液滴的 运动和传热研究．包头钢铁学院学报，２００３，２２（３）：２１２） ［７］ ＷｕＣＹ，ＺｈａｎｇＬＹ．ＰｏｗｄｅｒＦｏｒｍｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｍｅｔａｌ ｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００３ （吴成义，张丽英．粉体成形力学原理．北京：冶金工业出版 社，２００３） ［８］ ＭｃＨｕｇｈＫＭ，ＬｉｎＹ，ＺｈｏｕＹＢ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅ ｏｎｐｈａｓｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄＨ１３ｔｏｏｌｓｔｅｅｌ．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇ Ａ，２００８，４７７：５０ ［９］ ＺｈａｎｇＪＧ，ＸｕＨＢ，ＳｈｉＨＳ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｓｐｒａｙｆｏｒｍｅｄＣｒ１２ＭｏＶｓｔｅｅｌｆｏｒｒｏｌｌｓ．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ， ２００１，１１１：７９ ［１０］ ＺｈａｎｇＪＧ，ＳｈｉＨＳ，ＳｕｎＤＳ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｐｒａｙｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎ ｏｌ，２００３，１３８：３５７ ［１１］ ＨｏｎｅｙｃｏｍｂｅＷ Ｋ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｔｅｅｌ．Ｔｒａｎｓ ｌａｔｅｄｂｙＦｕＪＹ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，１９８５ （霍尼库姆 Ｗ Ｋ．钢的显微组织和性能．傅俊岩译．北京：冶 金工业出版社，１９８５） ［１２］ ＬｉｕＺＣ，ＤｕＺＷ，ＺｈｕＷ Ｆ，ｅｔａｌ．ＳｅｃｏｎｄａｒｙｈａｒｄｅｎｉｎｇｏｆＨ１３ ｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒｉｎｇ．ＯｒｄｎａｎｃｅＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇ，２００１，２４（３）： １１ （刘宗昌，杜志伟，朱文方，等．Ｈ１３钢的回火二次硬化．兵器 材料科学与工程，２００１，２４（３）：１１） ［１３］ ＬｉＧＮ．ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＳｔｕｄｙｏｆＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ ＳｐｒａｙｆｏｒｍｅｄＨ１３ｓｔｅｅｌ［Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，２００８：６２ （李冠楠．喷射成形 Ｈ１３钢的制备和组织特征研究［学位论 文］．北京：北京科技大学，２００８：６２） ·３２·
