兩種熱作模具H13鋼組織和性能研究

馬 野，劉寶石，牟 風(fēng)，祝仁龍

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113000）

1 引言

隨著中國2001年加入WTO以及機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，中國的模具工業(yè)得到了迅速發(fā)展，從而也推動(dòng)了模具鋼的發(fā)展。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因?yàn)槟＞哔|(zhì)量在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，模具更成為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備。與此同時(shí)，在模具工業(yè)迅猛發(fā)展的高要求下，對(duì)模具材料的性能和使用壽命等提出了更高的要求。

在整個(gè)模具工業(yè)中，熱作模具占有重要的地位，以壓鑄模為例，壓鑄作為一種金屬零件接近最后形狀尺寸的精密成形工藝，在高速發(fā)展的汽車、機(jī)械、電子等重要產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，需求量與日俱增。我國每年需要壓鑄模具數(shù)十萬噸，價(jià)值數(shù)十億元。汽車輕量化就要大量采用鋁合金、鎂合金壓鑄件。每個(gè)國家都是汽車制造業(yè)驅(qū)動(dòng)壓鑄行業(yè)，中國汽車業(yè)使用壓鑄件約占65%以上的市場(chǎng)份額，在日本等發(fā)達(dá)國家達(dá)到80%以上。

2 熱作模具鋼

熱作模具鋼主要用于制造對(duì)高溫狀態(tài)的金屬或液態(tài)金屬壓制成工件的模具，該過程要將金屬或液態(tài)金屬加熱到再結(jié)晶溫度以下，因此與其它類型的模具鋼如冷作模具鋼、塑料模具鋼的使用性能有較大差異。熱作模具鋼含碳量一般為0.3%～0.6%，添加提高高溫性能的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，可分為鉻鉬系熱作模具鋼和鉻鎢系熱作模具鋼等。我國在20世紀(jì)80年代初引進(jìn)由美國開發(fā)的國外通用鉻鉬系熱作模具鋼H13（我國鋼號(hào)為4Cr5MoSiV1），該鋼以其高的淬透性、淬硬性、強(qiáng)韌性和熱疲勞抗力在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用于制作熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模和塑料模等，是當(dāng)前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的熱作模 具鋼。

隨著模具技術(shù)的發(fā)展，對(duì)模具鋼的質(zhì)量性能提出更高要求。早在20世紀(jì)80年代，國外模具鋼的先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)，開始進(jìn)行高等向性H13鋼的研制和生產(chǎn)，首先奧地利BOHLER提出，通過超純凈冶煉技術(shù)、均質(zhì)化技術(shù)及超細(xì)化處理大大提高了H13鋼的等向性，從而使模具的使用壽命大幅度提高。之后日本大同特殊鋼、日立、高周波，瑞典UDDEHOLM等均推出高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，走在了世界前列。撫順特鋼發(fā)展了高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼；瑞典發(fā)展了高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼（一勝百的8407鋼），成為優(yōu)秀品牌的熱作模具鋼。

瑞典一勝百8407鋼屬熱作模具鋼，屬于鉻、鉬、釩合金工具鋼，該鋼組織結(jié)構(gòu)均勻，高純凈度具有高韌性和高等向性，適用于≤600℃工作的金屬壓鑄模、擠壓模等。

3 試驗(yàn)方案

本文進(jìn)行兩種國內(nèi)外相似規(guī)格的高級(jí)優(yōu)質(zhì)熱作模具H13鋼的質(zhì)量對(duì)比分析研究，涉及的鋼種有撫順特鋼生產(chǎn)的H13鋼，瑞典一勝百的8407鋼。本文中用于研究的撫順特鋼H13鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×600mm。生產(chǎn)工藝流程為：真空精煉→電渣重熔→大型快鍛機(jī)鍛造成材→鋼材熱處理。用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×650mm。

試驗(yàn)對(duì)撫順特鋼生產(chǎn)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)熱作模具H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，按照北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分、帶狀偏析、退火組織和沖擊韌性進(jìn)行對(duì)比分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 化學(xué)成分

本文中用于研究的撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×600mm。試驗(yàn)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼鍛造扁鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 H13鋼350×600mm鍛造扁鋼的化學(xué)成分 %

本文中用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×650mm。試驗(yàn)的8407鋼鍛造扁鋼的化學(xué)成分見表2所示。

表2 8407鋼350×650mm鍛造扁鋼的化學(xué)成分 %

從表1和表2可以看出，兩種試驗(yàn)鋼成分符合NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)，不同鋼種的成分特點(diǎn)是：撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。與鋼材潔凈度相關(guān)的S、P及氣體含量兩種對(duì)比材料也存在差異，主要為：①瑞典一勝百8407鋼的P含量0.008%高于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，氧含量0.0010%低于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼；②撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼P(yáng)含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

4.2 帶狀偏析

帶狀偏析是影響熱作模具鋼內(nèi)在質(zhì)量的主要因素之一，因此對(duì)比鋼的帶狀偏析組織的差異具有重要意義。鋼的凝固過程中合金元素和碳的富集形成的枝晶偏析在熱變形被拉長，形成合金元素和碳的富集條帶，退火過程中形成顆粒尺寸不一，碳化物偏聚的條帶，試樣縱向腐蝕后可見條帶狀偏析。本試驗(yàn)根據(jù)對(duì)比材料的尺寸規(guī)格特點(diǎn)，按NADCA標(biāo)準(zhǔn)要求，選取材料心部、1/4D和邊部帶狀組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)鋼的帶狀偏析組織（50×）

根據(jù)金相組織觀察，從圖1中可以看出，按NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼帶狀偏析組織符合可接受標(biāo)準(zhǔn)要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優(yōu)于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼。

4.3 退火組織

退火顯微組織是評(píng)價(jià)H13類鋼質(zhì)量好壞的關(guān)鍵依據(jù)之一，北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA#207-2008優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)中H13鋼的退火顯微組織合格級(jí)別為AS1-AS9合格。良好的退火顯微組織在淬火組織中可以獲得良好的馬氏體組織，可加寬模具的淬火溫度范圍，縮小過熱敏感性，減少模具變形和防止淬火冷卻裂紋的產(chǎn)生，因此均勻球狀珠光體組織既球化組織，對(duì)熱作模具的最終熱處理和使用有著極為重要的意義。本試驗(yàn)根據(jù)對(duì)比材料的尺寸規(guī)格特點(diǎn)，按NADCA標(biāo)準(zhǔn)要求，選取材料心部、1/4D和邊部退火組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)鋼的退火組織（500×）

從圖2中可以看出，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火顯微組織級(jí)別，材料心部、1/4D和邊部評(píng)級(jí)為AS4、AS3和AS3，瑞典一勝百的8407鋼退火顯微組織級(jí)別，材料心部、1/4D和邊部評(píng)級(jí)為AS3、AS3和AS3，兩種試驗(yàn)鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級(jí)別基本均勻一致。

兩種試驗(yàn)鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火組織中，心部可見少量網(wǎng)狀碳化物。

4.4 沖擊韌性

沖擊韌性尤其是橫向沖擊韌性在熱作模具鋼中是非常重要的力學(xué)性能之一，被作為是NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵的評(píng)級(jí)指標(biāo)。因?yàn)闊嶙髂＞咴诠ぷ鬟^程中需要承受一定的沖擊載荷，為了保證模具不產(chǎn)生開裂和變形，則需要保持較高的沖擊韌性和斷裂韌性。在大截面或含鉬鎢元素高的熱作模具中，淬火組織中易出現(xiàn)脆的中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物導(dǎo)致熱脆。通過合理的成分設(shè)計(jì)、合理的熱處理工藝及組織分布，可以提高材料的韌性。對(duì)于熱作模具鋼來說，根據(jù)使用性能的要求，合理的韌性和強(qiáng)度的匹配，才能最大限度地提高熱作模具的使用壽命。

撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼沖擊試樣取自扁鋼橫向截面中心、1/4D和邊部。按NADCA標(biāo)準(zhǔn)，采用的熱處理制度淬火溫度1,030℃，回火溫度600℃，沖擊試樣的熱處理硬度調(diào)整到44～46HRC，處理沖擊試樣尺寸為V型缺口10×10×55mm沖擊試樣，檢測(cè)沖擊性能，采用M5C030G3型硬度計(jì)、ZBC-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣硬度和沖擊。

對(duì)撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)，表3為橫向沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表3 試驗(yàn)鋼的橫向沖擊功及回火硬度

試驗(yàn)鋼不同位置的橫向沖擊韌性功對(duì)比見表3，使用夏比V形缺口試樣進(jìn)行的5個(gè)沖擊試驗(yàn)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，試驗(yàn)結(jié)果取其余3個(gè)的平均值。試驗(yàn)結(jié)果：瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。

5 結(jié)論

（1）兩種試驗(yàn)鋼成分符合NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)，不同鋼種的成分特點(diǎn)是：撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼P(yáng)含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

（2）按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，帶狀偏析組織符合可接受標(biāo)準(zhǔn)要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優(yōu)于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼。

（3）按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，退火顯微組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種試驗(yàn)鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級(jí)別基本均勻一致。兩種試驗(yàn)鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火組織中，心部可見少量網(wǎng)狀碳化物。

（4）瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。