淬火脆性是指在淬火后材料產生韌性下降，從而導致開裂，通常是晶間斷裂。在熱作模具鋼中，如H13鋼，以往的文獻對于這類鋼的淬火脆性研究較少，尤其是機理的研究。
本文通過對2種熱作模具鋼在不同冷速下淬火，研究淬火脆性現象，分析熱作模具鋼碳化物的析出和貝氏體的產生對于脆性的影響，從而探討熱作模具鋼淬火脆性的主要機理。
01
實驗方法
1.1 模具鋼氣淬處理
采用真空高壓氮氣淬火爐對模具鋼進行氣淬處理（6bar氣壓下），將牌號為1.2344和1.2365mod的模塊置于兩個較大的P20模塊間（圖1），模塊厚度為400mm。
Fig.1 a）材料和熱電偶示意圖 b）試樣模塊的圖片 c）熱電偶放置圖
1.2 沖擊韌性和硬度測試
采用馬弗爐對15×15×20mm的小試樣加熱后進行油淬，其快速冷卻曲線如圖2a所示，并與慢冷曲線進行對比。
隨后將淬火后的試樣在600-630℃進行2次回火，每次2小時，將硬度調整為45HRC左右，之后根據ISO標準，加工成V2型缺口沖擊試樣。
采用 15 J 沖擊錘和顯微硬度計進行沖擊韌性和硬度測試。
Fig.2 a）模塊冷卻曲線 b）1.2365mod的冷卻曲線圖
1.3 不同淬火冷卻條件試樣的制備
采用熱膨脹儀對膨脹試樣以及帶有0.2mm缺口的微沖擊試樣進行不同冷速下淬火試驗。具體工藝為將試樣奧氏體化（加熱速度為0.3℃/s，加熱到1020℃后保溫30min），然后采用4種不同的冷卻條件進行冷卻（圖2b），并進行2次回火。4種冷卻條件為：
工業級模具鋼模塊典型冷卻速度恒定為0.2℃/s。
實驗室試樣快速淬火冷卻速度恒定為5℃/s。
全貝氏體通過快速冷卻（5℃/s）至500℃保溫2600s進行等溫相變，然后緩慢冷卻（0.2℃/s）得到。
全碳化物通過慢冷到800℃（0.2℃/s），然后快冷（5℃/s）得到。
在50℃保溫10min后，進行2次回火（加熱速度為0.3℃/s，每次保溫2小時，冷卻速度為1℃/s）得到相似的使用硬度。對于1.2344，回火溫度為590℃-610℃，硬度為44HRC左右。對于1.2365mod，回火溫度為610℃-625℃，硬度為48HRC左右。
1.4 微觀組織表征
采用光學顯微鏡對試樣進行微觀組織觀察（腐蝕劑：3%硝酸酒精）。
02
實驗結果
2.1 硬度與沖擊韌性
模塊高壓氮氣淬火結果如圖3所示，對于不同的冷卻條件，硬度沒有表現出異常現象，而韌性受到冷卻速度影響較大。
油淬的微尺寸試樣沖擊韌性均高于20J/cm2，而從模塊上切取的試樣沖擊韌性明顯偏小，1.2365mod鋼的韌性下降更為明顯。此外，取自模塊表面的試樣的沖擊韌性均高于取自心部的試樣，通過斷口分析，所有試樣均為解理斷裂，未發現沿晶斷裂。
Fig.3 a）2種鋼在不同冷卻條件下的硬度 b）沖擊韌性
2.2 熱膨脹曲線
通過膨脹儀測得1.2365 mod鋼的熱膨脹曲線如圖4所示。
5℃/s冷速下（實驗室試樣），其Ms點為310℃。在0.2℃/s冷速下（工業試樣），可以觀察到馬氏體和貝氏體的混合組織，其Bs溫度為325℃，Ms溫度為260℃。全貝氏體冷卻條件下，貝氏體轉變溫度Bs為320℃，馬氏體轉變溫度Ms為250℃。完碳化物冷卻條件下，試樣的Ms點為310℃。
Fig.4 1.2365 mod鋼不同熱處理條件下的膨脹曲線
2.3 微觀組織
圖5是4種不同冷卻條件下的微觀組織。圖5a中，快速冷卻實驗試樣為全馬氏體組織。慢速冷卻的工業試樣（圖5b）的腐蝕區域較暗，這可能與顯微組織中貝氏體組織有關，此外能夠清晰地看到奧氏體晶界。圖5d的晶界的腐蝕不夠清晰，組織中出現了很多碳化物，全貝氏體冷卻條件下，組織中出現貝氏體板條組織（圖5c）。
全貝氏體冷卻條件下的分級淬火得到了預期的馬氏體和貝氏體組織，與工業試樣具有相似的組織，但沒有明顯的晶界。僅有碳化物的試樣晶界明顯，具有全馬氏體組織。
Fig.5 不同淬火冷卻條件下金相組織
2.4 沖擊實驗
對比兩種鋼在不同冷卻條件下的微沖擊試驗結果如圖6所示.
微沖擊試樣在膨脹儀中進行淬回火處理。對于 1.2365mod鋼，快冷(實驗室試樣)和慢冷(工業試樣)沖擊韌性具有顯著的差別。淬火初始慢冷時晶界處碳化物的析出對韌性的影響遠大于貝氏體的形成。例如，全貝氏體條件下韌性值下降約15%，同時全碳化物的韌性減少了45%。
Fig.6 a）1.2365 mod和 b） 1.2344在不同冷卻條件下的沖擊韌性
04
結論
熱作模具鋼的淬火脆性主要原因是在淬火緩慢冷卻過程中，碳化物優先在奧氏體晶界中析出，導致沖擊韌性顯著下降，是貝氏體組織對韌性影響的幾倍。如果結合磷在奧氏體晶界處偏析，脆化效應會加強，并導致晶間發生斷裂。
譯文轉載出處：
Rafael A. Mesquita , Reinhold S. E. Schneider , Renato Logiudice , Joao H. Storopoli，Quench embrittlement in hot work tool steels[C], The 12th TOOLING 2020 Conference & Exhibition.
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