張 曜

（韶關(guān)市中機(jī)重工股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

H13是一種典型的熱作模具鋼，，屬于中合金超高強(qiáng)度鋼，具有良好的淬透性和熱硬性，耐熱疲勞性以及耐磨性好，是高溫綜合性能較好的熱作模具鋼，目前在國內(nèi)鋁壓鑄模、鋁擠壓模及熱鍛模方面普遍應(yīng)用，市場需求巨大。但在使用要求較高的行業(yè)，特別是鋁壓鑄等行業(yè)，大多數(shù)模具仍使用進(jìn)口材料。究其原因，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)企業(yè)對(duì)大截面H13模具在鍛造及鍛后處理工藝方面不成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

與進(jìn)口熱作模具鋼相比，國內(nèi)摸具鋼主要存在幾個(gè)方面的問題：原材料液析碳化物超標(biāo)，S、P含量超標(biāo)；鍛造工藝不成熟，模具鋼各項(xiàng)性能相差大，模具使用中因某一方向性能差造成模具早期失效；鍛造后熱處理工藝不成熟，模具鋼鍛件中心組織晶粒粗大、偏析、碳化物網(wǎng)狀，模具最終熱處理或使用中時(shí)容易開裂。本文用于工藝研究的鍛件尺寸Φ820×260，采用“均質(zhì)化—三向鍛造—細(xì)晶化—等溫球化退火”生產(chǎn)工藝，檢驗(yàn)鍛件三向性能一致、退火組織均勻、碳化物顆粒彌散分布，已向國內(nèi)知名鋁型材廠家批量供貨。

1 原材料質(zhì)量控制

中機(jī)重工生產(chǎn)鋁型材擠壓模具用H13原材料均要求電渣重熔冶煉，即采用BOF/EAF+LF+VD+ESR冶煉方法。同時(shí)對(duì)原材料化學(xué)成份，特別是S、P及氣體含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，原材料化學(xué)成份見表1。連鑄坯進(jìn)行電渣時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制填充比和熔速，保證鋼錠中無縮孔、疏松、碳化物偏析等凝固缺陷，同時(shí)盡量縮小鋼錠內(nèi)部等軸晶間距，避免組織粗大。

電渣錠入廠后，鋼錠進(jìn)行了直讀光譜檢查，從表1成份表中看出，元素成份在規(guī)范要求范圍內(nèi)，而且S、P含量，H、O、N氣體含量都很低，完全滿足要求。電渣錠入庫后進(jìn)行了探傷檢查及表面檢查，探傷時(shí)檢出距底墊端80mm存在縮孔缺陷，其余部分探傷合格，沒有發(fā)現(xiàn)粗晶或夾雜、縮孔缺陷，鋼錠表面光滑無渣溝。

表1 H13電渣錠化學(xué)成份

2 加熱工藝方法及控制要點(diǎn)

H13熱作模具鋼屬于中合金超高強(qiáng)度鋼，Cr、Ni、Mo含量高，在冶煉及電渣工序中很容易產(chǎn)生成份偏析、共晶碳化物、液析碳化物等冶金質(zhì)量缺陷。如果不加以消除，對(duì)最終模具危害甚大：熱處理時(shí)容易開裂、表面龜裂、塌陷等模具早期失效。為有效解決這一問題，我們?cè)阱懺旒訜釙r(shí)特別對(duì)電渣錠進(jìn)行均質(zhì)化處理，使鋼釘中合金碳化物及液析碳化物充分溶解擴(kuò)散，均質(zhì)化工藝參數(shù)見圖1。

H13電渣錠在加熱時(shí)，特別要注意分段保溫加熱，切不可采取過快的升溫速度，避免鋼錠心部與表面溫差過大產(chǎn)生裂紋，一旦產(chǎn)生裂紋，該件鋼錠只能報(bào)廢處理。根據(jù)鋼錠質(zhì)量狀況，均質(zhì)化溫度一般選用1240℃～1280℃，以鋼錠不產(chǎn)生過熱狀況為宜，高溫保溫時(shí)間應(yīng)不少于20小時(shí)，以便碳化物充分?jǐn)U散溶解。鍛造開始前，應(yīng)將爐溫降低40℃并保溫2小時(shí)再開鍛，能有效降減少表面裂紋。

圖1 加熱工藝

3 鍛造工藝設(shè)定及控制要點(diǎn)

為了有效提高模具鋼使用壽命，必須對(duì)電渣錠進(jìn)行充分的三向變形鍛造，提高鋼材組織致密度、破碎粗大晶粒、消除組織偏析及網(wǎng)狀碳化物，提高模具鋼各向性能一致性，延長模具使用壽命。鍛造工藝設(shè)定時(shí)必須注意以下幾個(gè)方面的問題：

（1）H13鋼鍛造工藝性能較差，鍛造溫度范圍只有150℃～200℃，鍛造時(shí)表面很容易出現(xiàn)裂紋。鍛造時(shí)必須嚴(yán)格控制開鍛溫度（一般不高于1240℃），鍛造時(shí)每道次變形量不宜過大，鍛造中出現(xiàn)裂紋時(shí)應(yīng)及時(shí)清理干凈，避免裂紋延伸。

（2）H13鋼模具鍛造后不得有粗晶、網(wǎng)碳出現(xiàn)，故最后一火次的鍛造變形量應(yīng)大于25%，鍛后應(yīng)進(jìn)行急冷，一般采用分級(jí)水冷或風(fēng)冷。

（3）為保證模具各向性能均衡一致，鍛造時(shí)必須進(jìn)行三向變形，每個(gè)方向的拔長及鐓粗比均大于2，三個(gè)方向總的變形比≥6，但成型時(shí)必須確保原材料流向?yàn)槟＞呖v向。

4 細(xì)晶化工藝設(shè)定及控制要點(diǎn)

為了得到組織均勻、碳化物彌散分布的球化退火組織，H13模具鋼鍛后應(yīng)先進(jìn)行細(xì)晶化處理。細(xì)晶化加熱工藝為：1050℃×8h，保證鍛造組織完全奧氏體化，出爐后在帶有強(qiáng)攪拌、循環(huán)清水池中進(jìn)行的分級(jí)水冷，冷卻規(guī)范見表2。

表2 細(xì)晶化冷卻規(guī)范

5 球化退火工藝及控制要點(diǎn)

H13鋼鍛造狀態(tài)為珠光體、貝氏體、馬氏體、和合金碳化物的混合組織，組織狀態(tài)復(fù)雜、硬度高、組織應(yīng)力大，需要采用球化退火工藝改善組織。球化退火后應(yīng)得到：等軸狀的細(xì)小碳化物均勻分布在鐵素體基體上，不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀、鏈狀碳化物。為了得到理想退火組織，應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造后冷卻方式及冷卻速度、退火裝爐方式、退火工藝等關(guān)鍵過程參數(shù)。退火組織的優(yōu)劣影響熱作模具鋼的沖擊韌性，此類鋼通常應(yīng)用于急冷急熱及高壓工作環(huán)境，熱疲勞裂紋是最主要的失效形式。在一定強(qiáng)度下，高的沖擊韌性對(duì)于提高模具熱疲勞抗性，阻止裂紋擴(kuò)展從而提高模具使用壽命具有重大意義。雖然影響H13鋼沖擊韌性的因素較多，但沖擊韌性與退火組織級(jí)別之間的確存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此獲得良好的退火組織是十分必要的。球化退火工藝見圖2。

圖2 球化退火工藝

6 實(shí)物質(zhì)量檢驗(yàn)

對(duì)本批次生產(chǎn)的15件H13鍛件（規(guī)格：Φ820×260）100%進(jìn)行金相、探傷檢查。探傷檢查15件鍛件全部合格，按北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA#207-2008評(píng)定，15件鍛件表面金相達(dá)到AS1標(biāo)準(zhǔn)，金相圖片見圖3。

圖3 表面金相圖片×500

對(duì)其中一件進(jìn)行切割后檢查中心金相，金相組織也達(dá)到AS1標(biāo)準(zhǔn)，金相圖片見圖4。

圖4 表面金相圖片×500

在本批H13鍛件中選取1件進(jìn)行切割，切割后在鍛件中心X、Y、Z三個(gè)方向試樣塊，對(duì)試樣塊進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行無缺口沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見附表3。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

（1）從實(shí)物檢查結(jié)果看，本批H13鍛件經(jīng)過“均質(zhì)化—三向鍛造—細(xì)晶化—球化退火”處理后，鍛件金相組織呈細(xì)小彌散分布的球狀珠光體組織，退后組織中沒有發(fā)現(xiàn)貝氏體組織。鍛件沖擊性能優(yōu)良，且X、Y、Z三個(gè)方向沖擊值均勻（偏差在30J以內(nèi)）。

（2）本批15件投入實(shí)際生產(chǎn)后，沒有出現(xiàn)開裂、表面龜裂等早期失效，大大提高了模具的使用壽命。

（3）通過對(duì)本批H13鍛件的生產(chǎn)驗(yàn)證，研究確定的“均質(zhì)化—三向鍛造—細(xì)晶化—球化”工藝可以進(jìn)行批量生產(chǎn)，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可以進(jìn)行普遍推廣應(yīng)用。