Сталь H13 демонструє високу прогартовуваність, чудову зносостійкість та термостійкість, зберігаючи відносно високу твердість та міцність нижче 600°C, а також чудову стійкість до холодної та гарячої втоми та добру стабільність відпуску. Вона широко використовується у формах для лиття під тиском алюмінію, міді та їх сплавів, що дає значні економічні переваги. Однак модулі H13, вироблені компанією, демонстрували поверхневі тріщини, неповну сфероїдизацію та нерівномірну мікроструктуру під час пробного виробництва. У цій статті представлено процес високотемпературної нормалізації з подальшим сфероїдизуючим відпалом для покращення якості модулів та досягнення однорідної мікроструктури.

1. Під час розробки прототипу було виявлено проблеми.

Експериментальний модуль був виготовлений зі сталі H13 з розмірами 400 мм × 1000 мм × 3000 мм, а кінцева температура кування становила приблизно 950°C. Через відсутність своєчасної термічної обробки після кування, після охолодження на повітрі до кімнатної температури, поверхневі тріщини виникали, поширюючись всередину модуля. Аналіз показав, що сталь H13 є загартовуваною сталлю, тобто її мартенситна структура формується під час охолодження на повітрі. Значні мікроструктурні напруження, що виникають під час процесу охолодження на повітрі після кування, призвели до поверхневих тріщин модуля.

Щоб запобігти розтріскуванню, сталеві модулі H13 після кування піддавали безпосередньому повільному охолодженню в печі, а потім сфероїдизуючому відпалу. Після сфероїдизуючого відпалу твердість модуля вимірювали за допомогою твердоміра за Брінеллем; було випробувано три зразки, причому вимірювання твердості проводилися у восьми точках кожного (див. Таблицю 1). Як показано в Таблиці 1, твердість загалом відповідала вимогам, але однорідність була незадовільною через значні коливання твердості, причому окремі точки перевищували задану межу (≤220 HB). Металографічний аналіз модулів виявив мікроструктуру, як показано на Рисунку 1.

На рисунку 1 показано мікроструктуру після ізотермічного сфероїдизуючого відпалу, при цьому процес сфероїдизації складається з етапу підвищеної температури при 870°C протягом 8 годин та етапу низької температури при 730°C протягом 14 годин. На рисунку 1(a) видно сильну сегрегацію карбідної сітки та значне перемішування зерен. На рисунку 1(b) видно велику кількість дисперсних карбідних частинок, що вказує на те, що ефект сфероїдизації відповідає поставленій меті; однак сегрегація залишається вираженою, причому деякі карбіди утворюють сітчастий розподіл, що знижує ефективність сфероїдизації в цих областях. Сітчасті карбіди становлять серйозну небезпеку для ливарної сталі, оскільки вони легко служать джерелами тріщин під час експлуатації, що призводить до руйнування матеріалу. Тому такі карбідні сітки необхідно контролювати в допустимих межах. У цьому дослідженні партію сталі H13 з сильною сегрегацією карбіду піддали високотемпературній нормалізації з подальшим ізотермічним сфероїдизуючим відпалом для оцінки покращення її мікроструктури за цих умов.

2 Експериментальні матеріали та методи

З модулів, що демонстрували сильну сегрегацію, було відібрано невеликі зразки для спектрального аналізу; їхній хімічний склад наведено в таблиці 2. Хімічний склад цієї сталі H13 відповідає стандарту GB/T 1299–2000 «Легована інструментальна сталь». Модулі були розділені на три групи та піддані високотемпературній нормалізації при 970 °C з часом витримки 5, 7 та 10 годин відповідно. Процес термічної обробки складався з високотемпературної нормалізації (з охолодженням повітрям) з подальшим ізотермічним сфероїдизуючим відпалом. Параметри ізотермічного сфероїдизуючого відпалу були такими: високотемпературна стадія при 870 °C протягом 8 годин та низькотемпературна стадія при 730 °C протягом 14 годин. На основі впливу часу високотемпературної нормалізації на мікроструктуру модулів було розроблено новий процес термічної обробки.

Після 5 годин високотемпературної нормалізації ступінь сегрегації (див. Рисунок 2(a)) значно покращився порівняно з Рисунком 1, хоча сегрегація все ще зберігалася. Коли час нормалізаційної витримки було збільшено до 7 годин, сегрегація практично усунулася; однак, карбідна сітка залишалася відносно чіткою, причому дрібні вторинні карбідні сітки повністю розчинялися в матриці під час процесу аустенітизації, тоді як грубі карбідні сітки залишалися нерозчинними, що потрапляє до категорії невідповідних згідно зі стандартами Північноамериканської асоціації лиття під тиском. Збільшення часу витримки до 10 годин усунуло більшість карбідних сіток, залишивши лише початково грубі карбідні сітки. Подальший сфероїдизуючий відпал призвів до більш однорідної сфероїдизованої мікроструктури, що дозволило матеріалу отримати клас AS4 згідно зі стандартами Північноамериканської асоціації лиття під тиском та відповідати критеріям прийнятності. Аналіз показує, що високотемпературна нормалізація ефективно усуває сегрегацію та покращує морфологію та розподіл карбідних сіток. Зі збільшенням часу витримки частинки карбіду поступово розчиняються, що призводить до поступового усунення сегрегації та карбідних сіток, тим самим значно покращуючи мікроструктуру матеріалу.

Після кування сталь H13 схильна до утворення грубого зерна через надмірно високу кінцеву температуру кування та повільну швидкість охолодження. Як заевтектоїдна сталь, H13 демонструє сітчасте вторинне карбідне утворення під час повільного охолодження, а високий вміст легування неминуче призводить до сегрегації матеріалу. Для покращення мікроструктури сталевих модулів H13 після кування рекомендується високотемпературна нормалізаційна обробка для досягнення однорідної мікроструктури.

Щоб видалити сітчасті карбіди, заготовку необхідно нагріти до температури, достатньої для розчинення вторинних карбідів. Однак температура сфероїдизувального відпалу (870 °C) недостатня для досягнення цього розчинення. Отже, без високотемпературної нормалізації карбідну сітку залишається важко видалити, і сегрегацію неможливо покращити, що призводить до того, що модуль H13 не відповідає стандартам. Після високотемпературної нормалізації дрібні частинки карбіду повністю розчиняються в матриці, карбідна сітка поступово подрібнюється до руйнування, а мікроструктура стає більш однорідною. Після періоду нормалізаційної витримки швидке охолодження на повітрі запобігає утворенню сітчастих вторинних карбідів. Згодом сфероїдизувальний відпал сприяє зростанню рівномірно диспергованих карбідів з матриці у сферичні структури, тим самим покращуючи відпалену мікроструктуру.

Підсумовуючи, повільне охолодження після кування призводить до грубих мікроструктур та утворення сітчастих карбідів, тоді як високотемпературна нормалізація покращує як сітчасті карбіди, так і сегрегацію матеріалу. Таким чином, мікроструктуру відпалу можна оптимізувати за допомогою двох підходів: відповідного швидкого охолодження після кування, а потім високотемпературної нормалізації та остаточного сфероїдизуючого відпалу. На основі аналізу цих прикладів було встановлено оптимальний процес, як показано на рисунку 3. Після кування матеріал охолоджують на повітрі та витримують вище точки Ms протягом певного періоду, щоб запобігти мартенситному перетворенню, після чого проводять високотемпературну нормалізацію та ізотермічний сфероїдизуючий відпал. На рисунку 4 ілюструється мікроструктура, отримана за цим новим процесом, що демонструє високу значну сфероїдизацію зі швидкістю сфероїдизації понад 95% та розміром зерна приблизно 7 класу. Продукт, класифікований як AS1 згідно зі стандартами Північноамериканської асоціації лиття під тиском, отримав позитивні відгуки від клієнтів.

4 Висновок

1) Повільне охолодження сталі H13 після кування призводить до утворення сітчастого карбідного осадження. Чим повільніша швидкість охолодження, тим більш вираженою стає карбідна сітка. Хоча подальша нормалізація може покращити це, деякі аномальні мікроструктури зберігаються в матриці та їх важко усунути. Крім того, повільне охолодження призводить до аномально великих розмірів зерен, які є спадковими та важко піддаються подальшому рафінуванню.

2) Високотемпературна нормалізація покращує сегрегацію та утворення мережеподібних карбідів, присутніх у мікроструктурі сталі H13 після кування. Протягом певного періоду часу покращення мікроструктури стає більш вираженим зі збільшенням часу витримки нормалізації.

3) Після кування сталь H13 охолоджується на повітрі вище температури Ms, а потім піддається високотемпературній нормалізації, що призводить до більш однорідної та дисперсної сфероїдизованої структури з покращеним ефектом сфероїдизації.