Jeklo H13 ima visoko kaljivost, odlično odpornost proti obrabi in toploti, ohranja relativno visoko trdoto in trdnost pod 600 °C, skupaj z vrhunsko odpornostjo na utrujenost pri hladnem in vročem ter dobro stabilnostjo pri popuščanju. Široko se uporablja v kalupih za tlačno litje aluminija, bakra in njihovih zlitin, kar prinaša znatne ekonomske koristi. Vendar pa so moduli H13, ki jih proizvaja podjetje, med poskusno proizvodnjo pokazali površinske razpoke, nepopolno sferoidizacijo in neenakomerno mikrostrukturo. Ta članek predstavlja postopek normalizacije pri visoki temperaturi, ki mu sledi postopek žarjenja s sferoidizacijo, za izboljšanje kakovosti modulov in doseganje enakomerne mikrostrukture.

1. Med postopkom razvoja prototipa so bile ugotovljene težave.

Eksperimentalni modul je bil izdelan iz jekla H13 z dimenzijami 400 mm × 1000 mm × 3000 mm, končna temperatura kovanja pa je bila približno 950 °C. Zaradi odsotnosti pravočasne toplotne obdelave po kovanju so se po ohlajanju na zraku na sobno temperaturo pojavile površinske razpoke, ki so se razširile v notranjost modula. Analiza je pokazala, da je jeklo H13 kaljivo jeklo, kar pomeni, da se njegova martenzitna struktura oblikuje med ohlajanjem na zraku. Obsežne mikrostrukturne napetosti, ki so nastale med postopkom ohlajanja na zraku po kovanju, so privedle do površinskih razpok modula.

Da bi preprečili razpoke, so bili jekleni moduli H13 po kovanju neposredno podvrženi počasnemu ohlajanju v peči, nato pa so bili podvrženi sferoidizirajočemu žarjenju. Po sferoidizirajočem žarjenju je bila trdota modula izmerjena z Brinellovim trdomerjem; preizkušeni so bili trije vzorci, pri čemer so bile meritve trdote opravljene na osmih točkah vsakega (glej tabelo 1). Kot je prikazano v tabeli 1, je trdota na splošno ustrezala zahtevam, vendar je bila enakomernost nezadovoljiva zaradi znatnih nihanj trdote, pri čemer so posamezne točke presegle določeno mejo (≤220 HB). Metalografska analiza modulov je pokazala mikrostrukturo, kot je prikazano na sliki 1.

Slika 1 prikazuje mikrostrukturo po izotermnem sferoidizirajočem žarjenju, pri čemer postopek sferoidizacije sestavljata faza pri povišani temperaturi 870 °C za 8 ur in faza pri nizki temperaturi 730 °C za 14 ur. Na sliki 1(a) sta očitna močna segregacija karbidne mreže in znatno mešanje zrn. Slika 1(b) razkriva obilne razpršene karbidne delce, kar kaže, da učinek sferoidizacije dosega želeni cilj; vendar segregacija ostaja izrazita, pri čemer nekateri karbidi tvorijo mrežno porazdelitev, ki zmanjšuje učinkovitost sferoidizacije na teh območjih. Omrežni karbidi predstavljajo resno tveganje za jeklene kalupe, saj med uporabo zlahka služijo kot viri razpok, kar vodi do odpovedi materiala. Zato je treba takšne karbidne mreže nadzorovati v sprejemljivih mejah. V tej študiji je bila serija jekla H13, ki kaže močno segregacijo karbidov, podvržena visokotemperaturni normalizaciji, ki ji je sledilo izotermno sferoidizirajoče žarjenje, da bi ocenili izboljšanje njene mikrostrukture v teh pogojih.

2 Eksperimentalni materiali in metode

Iz modulov, ki so kazali močno segregacijo, so bili za spektralno analizo odvzeti majhni vzorci; njihova kemična sestava je prikazana v tabeli 2. Kemična sestava tega jekla H13 je skladna s standardom GB/T 1299–2000 "Legirano orodno jeklo". Moduli so bili razdeljeni v tri skupine in podvrženi visokotemperaturni normalizaciji pri 970 °C z zadrževalnimi časi 5, 7 oziroma 10 ur. Postopek toplotne obdelave je obsegal visokotemperaturno normalizacijo (hlajenje na zraku), ki ji je sledilo izotermno sferoidizacijsko žarjenje. Parametri izotermnega sferoidizacijskega žarjenja so bili: visokotemperaturna faza pri 870 °C 8 ur in nizkotemperaturna faza pri 730 °C 14 ur. Na podlagi vpliva časa visokotemperaturne normalizacije na mikrostrukturo modulov je bil razvit nov postopek toplotne obdelave.

Po 5 urah normalizacije pri visoki temperaturi se je stopnja segregacije (glej sliko 2(a)) v primerjavi s sliko 1 znatno izboljšala, čeprav je segregacija še vedno obstajala. Ko se je čas zadrževanja pri normalizaciji podaljšal na 7 ur, je bila segregacija praktično odpravljena; vendar je karbidna mreža ostala relativno izrazita, pri čemer so se fine sekundarne karbidne mreže med postopkom avstenitizacije popolnoma raztopile v matrici, medtem ko so grobe karbidne mreže ostale netopne – kar spada v kategorijo neskladnih v skladu s standardi Severnoameriškega združenja za tlačno litje. Podaljšanje časa zadrževanja na 10 ur je odpravilo večino karbidnih mrež, tako da so ostale le prvotno grobe karbidne mreže. Nadaljnje sferoidizacijsko žarjenje je povzročilo bolj enakomerno sferoidizirano mikrostrukturo, zaradi česar je material po standardih Severnoameriškega združenja za tlačno litje dosegel stopnjo AS4 in izpolnil merila sprejemljivosti. Analiza kaže, da normalizacija pri visoki temperaturi učinkovito odstrani segregacijo ter izboljša morfologijo in porazdelitev karbidnih mrež. Z daljšanjem časa zadrževanja se delci karbida postopoma raztopijo, kar vodi do postopne odstranitve segregacije in karbidnih mrež, s čimer se znatno izboljša mikrostruktura materiala.

Po kovanju je jeklo H13 nagnjeno k nastanku grobih zrn zaradi previsoke končne temperature kovanja in počasnega ohlajanja. Kot hiperevtektoidno jeklo kaže H13 med počasnim ohlajanjem mrežasto sekundarno izločanje karbidov, visoka vsebnost legir pa neizogibno vodi do segregacije materiala. Za izboljšanje mikrostrukture modulov iz jekla H13 po kovanju je priporočljiva visokotemperaturna normalizacijska obdelava, da se doseže enakomerna mikrostruktura.

Za odstranitev retikularnih karbidov je treba obdelovanec segreti na temperaturo, ki zadostuje za raztapljanje sekundarnih karbidov. Vendar pa temperatura sferoidizacijskega žarjenja (870 °C) ni zadostna za dosego tega raztapljanja. Posledično je brez normalizacije pri visoki temperaturi karbidno mrežo težko odstraniti in segregacije ni mogoče izboljšati, zaradi česar modul H13 ne izpolnjuje standardov. Po normalizaciji pri visoki temperaturi se drobni delci karbida popolnoma raztopijo v matrici, karbidna mreža se postopoma zgladi, dokler se ne zlomi, mikrostruktura pa postane bolj enakomerna. Po obdobju normalizacije hitro hlajenje na zraku prepreči nastanek retikularnih sekundarnih karbidov. Nato sferoidizacijsko žarjenje spodbuja rast enakomerno razpršenih karbidov iz matrice v sferične strukture, s čimer se izboljša žarjena mikrostruktura.

Skratka, počasno hlajenje po kovanju vodi do grobih mikrostruktur in nastanka mrežnih karbidov, medtem ko visokotemperaturna normalizacija izboljša tako mrežne karbide kot tudi segregacijo materiala. Zato je mogoče žarilno mikrostrukturo optimizirati z dvema pristopoma: ustreznim hitrim hlajenjem po kovanju, ki mu sledi visokotemperaturna normalizacija in končno sferoidizacijsko žarjenje. Na podlagi analize teh primerov je bil določen optimalni postopek, kot je prikazano na sliki 3. Po kovanju se material ohladi na zraku in zadrži nad točko Ms nekaj časa, da se prepreči martenzitna transformacija, nato pa sledi visokotemperaturna normalizacija in izotermno sferoidizacijsko žarjenje. Slika 4 prikazuje mikrostrukturo, pridobljeno s tem novim postopkom, ki kaže zelo pomembno sferoidizacijo s stopnjo sferoidizacije, ki presega 95 %, in velikostjo zrn približno 7. Izdelek, ki je v skladu s standardi Severnoameriškega združenja za tlačno litje razvrščen kot AS1, je prejel pozitivne odzive strank.

4 Zaključek

1) Počasno ohlajanje jekla H13 po kovanju vodi do nastanka mrežaste karbidne precipitacije. Počasnejša kot je hitrost ohlajanja, bolj izrazita postane karbidna mreža. Čeprav lahko naknadna normalizacija to izboljša, nekatere nenormalne mikrostrukture ostanejo v matrici in jih je težko odstraniti. Poleg tega počasno ohlajanje povzroči nenormalno velike velikosti zrn, ki so dedne in jih je kasneje težko prečistiti.

2) Normalizacija pri visokih temperaturah izboljša segregacijo in mrežno povezane karbide, prisotne v mikrostrukturi jekla H13 po kovanju. V določenem časovnem obdobju postane izboljšanje mikrostrukture bolj izrazito z daljšim časom zadrževanja pri normalizaciji.

3) Po kovanju se jeklo H13 ohladi na zraku nad temperaturo Ms in nato podvrže visokotemperaturni normalizaciji, kar ima za posledico bolj enakomerno in razpršeno sferoidizirano strukturo z vrhunskim učinkom sferoidizacije.