0. 引言
H13鋼是一種用途廣泛、最具有代表性的熱作模具鋼，具有良好的淬透性、熱硬性、耐熱疲勞性和耐磨性能。目前國內(nèi)企業(yè)大規(guī)格（直徑大于120 mm）H13鋼產(chǎn)品通常采用模鑄+鍛造生產(chǎn)工藝，該工藝存在工件頭尾剪切率高的問題，成材率約為80%，這導(dǎo)致了H13鋼的生產(chǎn)成本較高[1-2]。近年來，國內(nèi)特鋼企業(yè)嘗試采用連鑄+熱軋工藝生產(chǎn)大規(guī)格H13鋼。但在開發(fā)過程中普遍存在大方坯脫引錠困難、輕壓下效果不明顯、鑄坯心部質(zhì)量差等問題，無法保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性及鑄坯質(zhì)量，以及軋制過程溫控塑性較差，鑄坯缺陷在后續(xù)軋制過程中無法充分焊合，導(dǎo)致成品探傷率不合格等系列問題[3-5]。因此，有必要繼續(xù)對大規(guī)格H13鋼連鑄+熱軋過程開展工藝技術(shù)研究。
高溫?zé)崴苄苑从沉虽撹F材料在高溫環(huán)境下的強塑性特征和可加工性能，表征的是金屬材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。鋼鐵材料連鑄坯裂紋、心部疏松偏析以及熱軋混晶等問題均與其高溫?zé)崴苄杂嘘P(guān)，因此對鋼鐵材料進行高溫?zé)崴苄匝芯烤哂兄匾獙嶋H意義。目前，有關(guān)H13鋼高溫?zé)崴苄缘难芯恐饕性谀ｈT+鍛造工藝方面，而對于連鑄+熱軋工藝方面的研究較少。為此，作者采用高溫拉伸的方式對大規(guī)格H13鋼連鑄坯進行高溫?zé)崴苄栽囼?，研究了抗拉強度和斷面收縮率隨溫度的變化規(guī)律，分析了斷裂機理，擬為大規(guī)格H13鋼連鑄+熱軋工藝參數(shù)的制定提供技術(shù)指導(dǎo)。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為H13鋼連鑄坯，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為0.38C，1.00Si，0.40Mn，5.00Cr，0.06Ni，1.30Mo，1.00V，0.07Cu，0.005S，0.008P，余Fe。在連鑄坯1/4厚度處截取尺寸如圖1所示的拉伸試樣，采用高溫拉伸的方式在Gleeble-3800型熱模擬試驗機上進行高溫?zé)崴苄栽囼灒囼灉囟葹?00~1 300 ℃。試樣先以10 ℃·s?1的速率升溫至1 300 ℃并保溫5 min，隨后以3 ℃·s?1的速率降至試驗溫度，保溫30 s后以1×10?3 s?1的應(yīng)變速率拉伸至試樣斷裂，整個試驗過程均在氮氣保護環(huán)境下進行。采用Zeiss Ultra55型場發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌，同時在斷口附近沿徑向進行縱剖，經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光，用體積分數(shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用ZEISS-M2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 高溫?zé)崴苄郧€
由圖2可以看出，H13鋼的抗拉強度隨溫度升高持續(xù)下降。材料熱變形過程存在加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶軟化兩種機制。受拉伸作用材料發(fā)生塑性變形，內(nèi)部晶粒發(fā)生滑移與位錯纏結(jié)，引起加工硬化；同時，材料發(fā)生動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，使位錯密度急劇下降，從而表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。隨著溫度升高，動態(tài)軟化作用強于加工硬化作用，導(dǎo)致抗拉強度持續(xù)下降。當(dāng)鋼鐵材料的斷面收縮率小于60%時，在連鑄過程中連鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷的風(fēng)險明顯增加；當(dāng)斷面收縮率大于60%時，材料塑性較好，裂紋缺陷產(chǎn)生的概率較低，開裂風(fēng)險小。因此，選擇斷面收縮率60%作為塑性區(qū)和脆性區(qū)的臨界值[6]。一般鋼鐵材料自600 ℃至熔點之間存在3個脆性敏感溫度區(qū)，分別為高溫脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)和低溫脆性區(qū)，不同脆性區(qū)的斷裂機理有所不同，對后續(xù)熱軋生產(chǎn)工藝的影響也不同[7-8]。在600~1 300 ℃范圍內(nèi)，H13鋼的斷面收縮率隨溫度升高呈先降低后升高再降低的趨勢；高溫脆性區(qū)、中溫脆性區(qū)和低溫脆性區(qū)溫度范圍分別為1 250~1 300，900~1 150，600~900 ℃；高溫?zé)崴苄詤^(qū)非常窄，僅在1 150~1 250 ℃范圍內(nèi)斷面收縮率大于60%，在1 200 ℃下達到最大值78.2%。中溫脆性區(qū)和低溫脆性區(qū)相連，形成大“口袋”形狀，“口袋”區(qū)域明顯且范圍較大，說明H13鋼的裂紋敏感性較高，在連鑄過程需要嚴格控制鑄坯冷卻參數(shù)，盡量在高溫塑性區(qū)矯直，避開“口袋”區(qū)域，以免鑄坯中出現(xiàn)裂紋。H13鋼在高溫?zé)崴苄詤^(qū)的抗拉強度低，塑性好，但有效溫度窗口較窄，因此在高溫?zé)崴苄詤^(qū)軋制時應(yīng)盡量減少熱軋道次，增大開坯壓下量以及熱軋道次壓下量，通過增大變形縮短軋制時間，以確保在高溫?zé)崴苄詤^(qū)內(nèi)完成軋制流程，避免組織中出現(xiàn)混晶而影響成品性能。
2.2 斷口形貌
由圖3可以看出，在低溫脆性區(qū)塑性最低點，即750 ℃下的拉伸斷口呈典型的沿晶斷裂特征，但晶界上存在大量小韌窩，這是晶界顯微空洞形核、長大、連接的結(jié)果，或者與鋼中低熔點脆性金屬或第二相析出在晶界處偏聚有關(guān)[9-10]。在中溫脆性區(qū)，1 100 ℃拉伸斷口存在由一簇簇相互平行的、位于不同高度的晶面形成的解理臺階，同時不同方向或相鄰的晶面連接處存在細小的撕裂棱，呈準解理斷裂特征，準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式[11]；斷口局部還存在冰糖晶狀的沿晶斷裂區(qū)域。可見1 100 ℃拉伸斷口呈準解理和沿晶混合斷裂特征。在高溫脆性區(qū)，1 300 ℃拉伸斷口呈多面體冰糖晶狀，晶粒表面光滑，形狀規(guī)整且立體感強，呈典型的沿晶斷裂特征。這是由于當(dāng)溫度較高且接近材料熔點時，晶粒急劇長大，晶界處于固/液熔融狀態(tài)，較易形成液膜，在拉應(yīng)力作用下，裂紋先在晶界處形成，然后進一步擴展造成沿晶斷裂；由于拉伸時斷面收縮，電流急劇升高，在斷面裂紋處發(fā)生放電，斷口表面及晶界處出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象，導(dǎo)致斷口表面的晶面特征不夠清晰。在高溫?zé)崴苄詤^(qū)，1 200 ℃拉伸斷口呈纖維狀+韌窩狀，韌窩大小不一、深淺不同，韌窩周邊發(fā)生較大的塑性變形，斷裂方式為典型的韌性斷裂，這是由于材料在拉伸變形過程中產(chǎn)生了空洞，空洞形核、長大、聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂。
2.3 斷口附近的顯微組織
由圖4可見，在氮氣保護下經(jīng)歷600~1 300 ℃高溫拉伸并自然冷卻后，H13鋼的基體組織均為馬氏體。在低溫脆性區(qū)塑性最低點，即750 ℃下的拉伸斷口附近組織中存在明顯的原奧氏體晶界，晶粒未發(fā)生變形，同時觀察到不同程度的晶界裂紋，說明此溫度下晶界弱化明顯；在中溫脆性區(qū)，1 100 ℃拉伸斷口斷裂端部（圖4左側(cè)區(qū)域）的晶粒邊界不規(guī)則，存在變形、撕裂等現(xiàn)象，說明晶粒發(fā)生穿晶斷裂，遠離端部區(qū)域存在非常明顯的晶界裂紋；在高溫脆性區(qū)，1 300 ℃拉伸斷口斷裂端部出現(xiàn)整個晶粒沿晶界脫落現(xiàn)象，且晶粒邊界棱角不明顯，這與1 300 ℃高溫下斷口存在熔化現(xiàn)象有關(guān)；在高溫?zé)崴苄詤^(qū)，1 200 ℃拉伸斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯的晶界裂紋及由夾雜物引起的微孔裂紋等，整體表現(xiàn)為韌性斷裂。
3. 結(jié)論
（1）隨著溫度由600 ℃升高到1 300 ℃，H13鋼連鑄坯的抗拉強度持續(xù)下降，斷面收縮率先降后升再降；中溫脆性區(qū)（900~1 150 ℃）和低溫脆性區(qū)（600~900 ℃）相連形成的“口袋”脆性區(qū)范圍較寬，為600~1 150 ℃，1 150~1 250 ℃范圍內(nèi)的斷面收縮率大于60%，為H13鋼連鑄坯的高溫?zé)崴苄詤^(qū)。H13鋼的高溫?zé)崴苄詤^(qū)范圍窄，說明其連鑄和熱軋環(huán)節(jié)的可操作溫度區(qū)窄，現(xiàn)場生產(chǎn)對溫控要求高。
（2）H13鋼連鑄坯在高溫?zé)崴苄詤^(qū)的斷裂方式以韌性斷裂為主，韌窩周圍存在較大的塑性變形；“口袋”脆性區(qū)的斷裂方式為沿晶斷裂和準解理斷裂。在低溫脆性區(qū)斷口附近原奧氏體晶界弱化明顯，組織中存在晶界裂紋；在中溫脆性區(qū)斷口附近晶粒發(fā)生穿晶斷裂；在高溫脆性區(qū)斷口附近存在整個晶粒脫落現(xiàn)象；在高溫塑性區(qū)斷口附近組織未出現(xiàn)明顯的晶界裂紋和微孔裂紋。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
