H13模具鋼低倍偏析的成因分析
一、前言
H13鋼相當(dāng)于4Cr5MoSiV1，是一種典型的熱作模具鋼。在低倍檢驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的偏析，影響鋼材的質(zhì)量。偏析嚴(yán)重達(dá)到6級(jí)以上，為此，有必要對(duì)偏析的形成原因進(jìn)行分析，以便提高H13鋼的低倍水平。
⒈試樣選擇
H13鋼是采用是電爐初煉+VHD精煉的雙聯(lián)工藝冶煉成錠，后經(jīng)鍛造加工形成不同尺寸的棒材。試驗(yàn)用料是從∣←→∣140mm棒材上取下的，化學(xué)成分如下：

按規(guī)定部位從棒材上取低倍試片，腐蝕后偏析為6~7級(jí)。試驗(yàn)用樣品就是從此低倍試片上按掃描電鏡的試樣尺寸切取。試樣上包括偏析帶和基體，以便進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)首先用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察偏析形態(tài)，夾雜物特征，而后用掃描電鏡作元素分析及夾雜物定性，從中找出偏析產(chǎn)生的原因。
二、試驗(yàn)結(jié)果
⒈偏析的形態(tài)特征
低倍試片腐蝕后的宏觀特征如照片1。

從照片看出，試樣左側(cè)有較重的偏析帶，呈現(xiàn)出較明顯的黑色條帶，右側(cè)偏析較輕，其中顏色較淺的為基體。
用掃描電鏡在不同放大倍數(shù)下，觀察偏析帶和基體的確良微觀特征。照片2就是掃描電鏡的二次電子像。左側(cè)為偏析帶，右側(cè)為基體。從2-1照片看，偏析帶上類似網(wǎng)狀的白色區(qū)域幾乎連成一片，黑色區(qū)域很少。基體上白色網(wǎng)狀明顯減少，呈斷續(xù)開頭黑區(qū)占多數(shù)。白色類似網(wǎng)狀的就是低倍試片上易受腐蝕的區(qū)域，所以在低倍試片上偏析帶表現(xiàn)出較深的顏色。照片2-2是較高倍數(shù)的特征。為敘述方便，二次電子像中的白區(qū)稱為A區(qū)，黑區(qū)稱為B區(qū)。就是說，偏析帶上A區(qū)遠(yuǎn)多于B區(qū)，基體相反。所以只要測(cè)試出A區(qū)和B區(qū)的差異，就可知偏析帶與基體的差異。為此我們做了兩個(gè)區(qū)域的元素分析。
⒉元素分析
選擇視場(chǎng)如照片3左上角的二次電子像，大約放大130倍，照片上的白線就是電子束線掃描的位置，包括二個(gè)A區(qū)和二個(gè)B區(qū)。試驗(yàn)條件顯示在照片3右上角。試樣移動(dòng)的距離為04mm。元素分析結(jié)果如照片3中六條曲線，分別顯示白線位置上Mn、Si、Mo、C、Cr、V六元素的變化。由此看出，A區(qū)的C、Mo、Cr、V明顯高于B區(qū)，而且這些元素在A區(qū)的分布不是均勻連續(xù)的，有不同程度的波動(dòng)，特別是C、Mo、V更為明顯。由引此推測(cè)這些元素多是以顆粒狀的形式存在。用半定量粗略估計(jì)：B區(qū)中的C約為A區(qū)的56%，Cr約為84%，V約為68%，Mo約為62%，Si、Mn在兩區(qū)間無差異。由此可知，偏析帶是C、Cr、Mo、V元素的富聚形成的。為了進(jìn)一步搞清楚這些元素在偏析帶及基體中的存在形式及分布狀態(tài)，我們又做了組織觀察和部分定性分析。
⒊組織觀察及定性
Ⅰ.一次相和夾雜物的特征及定性
磨拋好的金相樣品不腐蝕，觀察一次相及夾雜物在偏析帶和基體上的分布。觀察發(fā)現(xiàn)：樣品上一次相有明顯的邊界，有一定形狀，如四方、三角、長(zhǎng)條等，而且在顯微鏡下呈淡黃色，這些相在偏析帶上的數(shù)量明顯多于基體。樣品中還有黑色夾雜物點(diǎn)狀，數(shù)量明顯少于一次相，分布較均勻。如照片4。另外，在觀察中變換焦距隱隱約約看到小顆粒聚集分布，但是不易分辯偏析帶與基體的區(qū)別。
為了確定一次相及夾雜物點(diǎn)狀中所包含的元素，對(duì)此作了元素面掃描：成分相中黑色一次相是（V、Ti）（C、N），但是，在不同的一次相顆粒中，所含元素的含量不是一樣的，有的可相差很大，有的顆粒中還有明顯的Mo。
夾雜物點(diǎn)狀的面掃描是C、O、Mo、Al、Ti、V六元素的面掃結(jié)果。上邊黑顆粒是Al、Mg的氧化物，外邊包著V、Ti的碳化物（合金中不是所有的氧化物周圍都有V、Ti的碳化物），左圖顆粒是近似四方形，是（V、Ti）（C、N）。
Ⅱ.組織特征
磨拋好的金相樣品，用苦味酸試劑腐蝕后，觀察組織為球狀珠光體，如照片5，左側(cè)為偏析帶組織，右側(cè)為基體。從照片5-1可明顯看出：偏析帶上以滲碳體為主的小顆粒密集區(qū)。為了解小顆粒密集區(qū)與低倍偏析帶上A區(qū)、B區(qū)的關(guān)系，我們把金相樣品作了深腐蝕，在金相顯微鏡中進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如照片5-2。從5-2看出，小顆粒密集區(qū)容易受腐蝕而變黑。偏析帶上的黑區(qū)明顯多于基體。在低倍腐蝕時(shí)，小顆粒密集區(qū)同樣會(huì)優(yōu)先腐蝕，如照片5-3，其規(guī)律與金相相似。只是金相，低倍腐蝕條件有差別，低倍的腐蝕力遠(yuǎn)大于金相，雖都優(yōu)先腐蝕，腐蝕程度不同，表現(xiàn)出的特征也稍有差異，可以說是大同小異。所以金相試樣中小顆粒密集區(qū)就是低倍試片上的A區(qū)，非密集區(qū)就是B區(qū)。
⒋硬度測(cè)定
從以上的分析可知，偏析帶是Cr、Fe滲碳體小顆粒和一次碳氮化物密集的地方，這樣偏析帶與基體的硬度應(yīng)有差別。為此，我們?cè)诟g后的金相試樣上打魏氏硬度，結(jié)果是：偏析帶測(cè)量5點(diǎn)的平均值為154，基體平均值為143。由此可見：偏析帶的魏氏硬度高出基體（HV10=11）
三、討論
以上的測(cè)試結(jié)果可知，H13合金低倍試片的組織為球狀珠光體。珠光體中Cr、Fe滲碳體小顆粒在合金中是不均勻分布，出現(xiàn)滲碳體小顆粒密集區(qū)，非密集區(qū)。合金中還有具有一定形狀，如四方、三角形等，有明顯邊界，呈淡黃色的一次碳氮化物為（V、Ti、Mo）（C、N），而在這些碳氮化物中各元素的含量有明顯的差別。碳氮化物在合金中的分布是不均勻的，與滲碳體小顆粒的分布狀態(tài)相一致，即滲碳體小顆粒的密集區(qū)中，碳氮化物也多。合金名點(diǎn)狀?yuàn)A雜物為Al、Mg氧化物，有的在其外邊由V、Ti碳氮化物包圍著，其分布較均勻。
偏析條帶的組織和基體相比有明顯的差別，偏析帶上的滲碳體小顆粒密集區(qū)明顯多于基體，一次碳氮化物也多于基體，硬度稍高于基體。金相的深腐蝕試驗(yàn)證明，滲碳體小顆粒是易受腐蝕優(yōu)先變黑，低倍同樣道理，只是低倍的腐蝕能力大于金相，所以顯示出比金相更黑，受腐蝕面大的特征。另外，從低倍偏析帶上A、B兩區(qū)的元素分析特征來看，各元素的峰值是對(duì)應(yīng)相應(yīng)的顆粒。
H13鋼在低倍檢驗(yàn)中都有不同程度的偏析出現(xiàn)，這與該鋼種的合金化與生產(chǎn)工藝有關(guān)。改善偏析的根本辦法是有合理的冶煉，加工工藝，并選擇適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に嚳筛纳破鰻顩r，減輕偏析級(jí)別。
四、結(jié)論
①、H13鋼低倍試片的組織為球狀珠光體，滲碳體中主要元素是Cr、Fe，一次相碳氮化物為（V、Ti、Mo）（C、N），點(diǎn)狀?yuàn)A雜物為Al、Mg氮化物，有的外邊由V、Ti碳化物包圍著。
②、H13鋼低倍偏析帶是由于合金中出現(xiàn)C、Cr、V、Mo、Ti等元素偏析，從而形成滲碳體小顆粒，一次相碳氮化物的偏聚，低倍腐蝕時(shí)，它們優(yōu)先腐蝕，形成偏析帶。
③、合金成分確定后，選擇合理的冶煉，加工工藝及退火工藝，可減輕偏析級(jí)別。