H13模具钢宏观偏析的原因分析
　　一、导言
　　
　　H13钢相当于4Cr5MoSiV1，是典型的热作模具钢。宏观分析中经常出现不同程度的偏析，影响钢材质量。隔离超过6级。因此，为了提高H13钢的低水平，有必要分析偏析的原因。
　　
　　1.选样
　　
　　H13钢采用电炉一次精炼+VHD精炼的双重工艺熔炼成锭，然后锻造成不同尺寸的棒材。试验材料取自∣↓→≈140mm棒材，化学成分如下:
　　
　　H13(4Cr5MoSiV1)的化学组成”
　　
　　化学元素碳锰硅硫磷镍铬钨钒钼铜
　　
　　成分(%)0.41 0.17 0.92 0.003 0.013 0.08 5.13 0.03 0.98 1.26 0.09
　　
　　宏观结构试件按规定位置从钢筋上取下，腐蚀后的离析等级为6-7级。根据扫描电子显微镜的样品尺寸，从低功率试样上切下试样。样品包括用于对比分析的分离区和基质。实验中，首先用金相显微镜和扫描电镜观察偏析的形貌和夹杂物的特征，然后用元素分析和扫描电镜对夹杂物进行表征，找出偏析的原因。
　　
　　二、测试结果
　　
　　1.离析的形态特征
　　
　　腐蚀后宏观试件的宏观特征如图1所示。
　　
　　从照片中可以看出，样品左侧有较重的偏析带，表现为明显的黑色条纹，右侧有较轻的偏析带，较浅的颜色为基体。
　　
　　用扫描电镜在不同放大倍数下观察了偏析带和基体涤纶的微观特征。照片2是扫描电镜的二次电子图像。左侧为隔离区，右侧为基体。从2-1照片看，类似于隔离区网络的白色区域几乎连在一起，黑色区域很少。矩阵上的白色网络明显减少，开始不连续的黑色区域占大多数。像网一样，白色是低功率试件上的易受影响区域，因此低功率试件上的隔离区显示较暗的颜色。照片2-2是一个具有更高倍数的特征。为了便于描述，二次电子图像中的白色区域被称为区域A，黑色区域被称为区域B。换句话说，分离区中的区域A比区域B大得多，并且矩阵相反。因此，只要测试区域A和区域B之间的差异，就可以知道分离区和基体之间的差异。为此，我们对两个区域进行了元素分析。(来源:上海莫砺锋金属制品有限公司)
　　
　　2.元素分析
　　
　　选择视场，如照片3左上角的二次电子图像，放大130倍左右。照片上的白线是电子束线的扫描位置，包括两个A区和两个B区。测试条件显示在照片3的右上角。样品的移动距离为04毫米。元素分析的结果，如照片3中的六条曲线，分别显示了白线中锰、硅、钼、碳、铬和钒的变化。由此可见，A区的碳、钼、铬、钒明显高于B区，且这些元素在A区的分布并不均匀连续，有不同程度的波动，尤其是碳、钼、钒的波动更为明显。由此推断，这些元素大多以粒状形式存在。根据半定量的粗略估计，区域B中的碳约为区域A的56%，铬约为84%，钒约为68%，钼约为62%，硅和锰在两个区域之间没有差异。为了进一步了解这些元素在偏析带和基体中的存在形式和分布，我们还进行了组织观察和部分定性分析。
　　
　　3.组织观察和特征描述
　　
　　初生相和夹杂物的特征和特性
　　
　　抛光后的金相样品无腐蚀，观察到偏析区和基体中初生相和夹杂物的分布。观察表明，样品的最后一相有明显的边界，有一定的形状，如正方形、三角形、条形等。并且在显微镜下呈淡黄色，并且这些相在分离区中的数量明显多于基质的数量。样品中也有黑色夹杂物，数量明显少于一次相，分布相对均匀。比如照片4。此外，在观察中，通过改变焦距可以模糊地看到小颗粒的聚集和分布，但是很难将分离区与基体区分开。
　　
　　为了确定初生相和夹杂物中所含的元素，进行了元素平面扫描:组分相中的黑色初生相为(V，Ti)(C，N)，但不同初生相颗粒中所含元素的含量不同，有的相差很大，有的颗粒中有明显的钼。
　　
　　夹杂物的点状表面扫描是碳、氧、钼、铝、钛和钒元素表面扫描的结果。上部黑色颗粒是铝和镁的氧化物，外部边缘覆盖有钒和钛的碳化物(并非合金中的所有氧化物都被钒和钛的碳化物包围)。左边的粒子大约是正方形，分别是(V和Ti)(C和N)。
　　
　　4.组织特征
　　
　　抛光后的金相样品经苦味酸试剂腐蚀后，观察到的组织为球状珠光体，如图5所示，左侧为偏析带结构，右侧为基体。从图5-1中可以明显看出，偏析区密集分布着以渗碳体为主的小颗粒。为了了解小颗粒密集区与宏观偏析区A区和B区的关系，我们对金相样品进行了深度腐蚀，并在金相显微镜下进行了对比。结果显示在照片5-2中。从图5-2可以看出，小颗粒的密集区域容易被腐蚀和变黑。分离区的黑色区域明显多于基体。在低功率腐蚀的情况下，小颗粒的密集区域也会优先腐蚀，如图5-3所示，其规律与金相相似。只有金相、低功率腐蚀条件不同，低功率腐蚀力比金相大得多，虽然所有腐蚀都是首选，腐蚀程度不同，呈现出略有不同的特征，可以说是相同的。因此，金相试样中小颗粒的密集区是宏观试样上的A区，非密集区是B区。
　　
　　5.硬度的测定
　　
　　从以上分析可以看出，偏析区是铬、铁渗碳体和一次碳氮化物的小颗粒集中的地方，因此偏析区和基体的硬度应该不同。为此，韦氏硬度被应用于腐蚀的金相样品。结果表明，偏析带测得的5个点的平均值为154，基体的平均值为143。这表明偏析区的维氏硬度高于基体(HV10=11)
　　
　　三、讨论
　　
　　上述试验结果表明，H13合金低倍组织试样的显微组织为球状珠光体。珠光体中的铬和铁的小渗碳体颗粒不均匀地分布在合金中，具有致密和不致密的渗碳体颗粒。该合金还具有某些形状，如四边形、三角形等。浅黄色的一次碳氮化物是(钒、钛、钼)(碳、氮)，而这些碳氮化物中各种元素的含量明显不同。碳氮化物在合金中的分布是不均匀的，这与小渗碳体颗粒的分布是一致的，即在小渗碳体颗粒的致密区域中有更多的碳氮化物。合金中众所周知的点状夹杂物是铝和镁的氧化物，其中一些在其外边缘被钒和钛的碳氮化物包围，并且它们的分布相对均匀。
　　
　　偏析带的微观结构明显不同于基体。偏析带中渗碳体小颗粒的密度区域明显大于基体，初生碳氮化物也大于基体，硬度略高于基体。金相深腐蚀试验证明，小渗碳体颗粒易腐蚀，优先变黑。同样的原因是低倍率的腐蚀能力大于金相的腐蚀能力，所以表现出比金相更黑、腐蚀面积更大的特点。另外，根据宏观偏析带中A区和B区的元素分析特征，每个元素的峰值对应相应的粒子。
　　
　　H13钢在宏观分析中存在不同程度的偏析，这与钢的合金化和生产工艺有关。改善偏析的根本途径是采用合理的冶炼和加工工艺，并选择合适的退火工艺来改善偏析，降低偏析水平。
　　
　　四、结论
　　
　　(H13钢低倍组织试样的显微组织为球状珠光体，渗碳体中主要元素为铬和铁，初生相碳氮化物为(钒、钛、钼)(碳、氮)，点状夹杂物为铝和镁氮化物，部分夹杂物被钒和钛碳化物包裹。
　　
　　(H13钢的宏观偏析是由于碳、铬、钒、钼、钛等元素的偏析。在合金中，从而形成小的渗碳体颗粒、初生相碳氮化物偏析和在宏观腐蚀过程中的优先腐蚀，以形成偏析区。
　　
　　(3)确定合金成分后，通过选择合理的熔炼、加工和退火工艺，可以降低偏析程度。