杜學(xué)蕓，楊帆，董仕營(yíng)

山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司 山東新泰 271222

1 序言

H13熱作模具鋼是一種過共析鋼，我國于20世紀(jì)80年代初引進(jìn)的由美國開發(fā)的國外通用熱作模具鋼，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織稱為40CrMoV5，國內(nèi)對(duì)應(yīng)鋼號(hào)為4Cr5MoSiV1，屬于中碳中合金熱作模具鋼的鉻系鋼種，具有較高的淬硬性、強(qiáng)度、韌性以及抗熱疲勞性能，是一種強(qiáng)韌兼?zhèn)涞臒嶙髂＞咪摚嘤糜跓徨懩?、熱擠壓模，鋁、鋅、鎂等有色金屬的壓鑄模，以及較精密的塑料模具的制造[1]。H13鋼有良好的冷熱疲勞性，在工況溫度≤600℃時(shí)代替3Cr2W8V鋼，制造的模具壽命有顯著提升，因此在應(yīng)用過程中己大量替代3Cr2W8V鋼。當(dāng)H13鋼工況溫度升高到600℃左右時(shí)，在較高的服役強(qiáng)度下仍然能保持高韌性，但當(dāng)使用溫度超過600℃時(shí)，H13鋼的熱強(qiáng)性欠佳，因此不適合壓鑄高熔點(diǎn)合金[2]。

H13鋼模具幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用頻次高、制作成本較高，堪稱“黑色黃金”。由于模具常規(guī)工況較為苛刻，因此需要承受高溫、高壓、冷熱沖擊、循壞載荷及沖蝕等。常見的失效形式主要有3種：①模腔熱蝕磨損：模腔內(nèi)的高溫金屬對(duì)腔壁存在沖刷和腐蝕作用。②腔體尺寸磨損：模具應(yīng)用過程中不可避免的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致腔體尺寸變化。③疲勞斷裂：長(zhǎng)期沖擊載荷和反復(fù)的加熱與冷卻而導(dǎo)致的斷裂和熱疲勞斷裂。由于不同工況條件下對(duì)模具性能要求有所差別，因此需要具備強(qiáng)度性能、韌性、耐磨性、抗熱疲勞性、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)[3]。為了提升H13鋼的使用可靠性，業(yè)內(nèi)人士對(duì)H13鋼的熱處理方式、強(qiáng)化技術(shù)及制造方法進(jìn)行了大量研究。除了對(duì)H13鋼進(jìn)行熱處理，還可見傳統(tǒng)焊接、激光熔覆以及增材制造等處理技術(shù)。本文綜述了H13鋼的各類處理方法以及相關(guān)研究?jī)?nèi)容，以期對(duì)H13鋼的加工、強(qiáng)化及使用提供更為全面的操作指導(dǎo)。

2 H13鋼及相關(guān)熱處理工藝

H13鋼的傳統(tǒng)成形技術(shù)主要是鑄造和鍛造，零件成形后再采用熱處理技術(shù)提升鋼的性能。H13鋼（4Cr5MoSiV1）的化學(xué)成分及熱處理臨界點(diǎn)見表1。按照GB/T 1299—2000《合金工具鋼規(guī)定》，H13鋼供貨狀態(tài)為退火態(tài)，因此退火態(tài)的質(zhì)量是衡量H13鋼質(zhì)量的關(guān)鍵，檢測(cè)內(nèi)容包括縱向帶狀偏析、球化退火組織均勻性和液析碳化物。相較于進(jìn)口H13鋼，國產(chǎn)H13鋼的帶狀偏析較為嚴(yán)重，液析碳化物較多。H13鋼經(jīng)鍛造后在860～890℃退火組織為球狀珠光體+少量碳化物[4]，即鐵素體上均勻分布球狀碳化物。

表1 H13鋼的元素組成及臨界點(diǎn)

熱處理是通過加熱、保溫、冷卻對(duì)鋼材表面及內(nèi)部金相組織進(jìn)行改變進(jìn)而優(yōu)化鋼材性能的主要手段，對(duì)于H13熱作模具鋼來說，最常用的熱處理工藝有正火、退火、淬火、回火。孫振亞[5]以H13熱作模具鋼為研究對(duì)象，梳理了模具鋼的熱處理及其加工流程（見圖1），指出均勻化退火工藝可以消除H13電渣鋼錠內(nèi)部的枝晶組織成分偏析與粗大第二相。由于4Cr5MoSiV1鋼中含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素，所以熱處理對(duì)碳化物的數(shù)量及形態(tài)影響較大。圖2所示為H13鋼1030℃淬火后的組織形態(tài)，僅能看到馬氏體上分布的富V的MC結(jié)構(gòu)的碳化物，淬火試樣經(jīng)過兩次600℃回火后出現(xiàn)了MC、M6C、M23C6類型的碳化物[6]。劉靜安[7]采用1100℃固溶+770℃高溫回火和常規(guī)球化退火工藝對(duì)4Cr5MoSiV1鋼進(jìn)行預(yù)處理，后進(jìn)行同等條件的淬火和高溫回火處理，發(fā)現(xiàn)可以使帶狀碳化物全部消除，同時(shí)粗大碳化物的數(shù)量大大減少，雖然比常規(guī)球化退火組織中獲得的碳化物粒徑略大，但很好地改善了碳化物的分布形態(tài)。張青青[8]對(duì)4Cr5MoSiV1鋼進(jìn)行(870±5)℃×3.5h、(550±5)℃×30m i n的分級(jí)退火，并在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行深冷處理，檢測(cè)（650±3）℃下的高溫洛氏硬度、摩擦磨損性能，并在高頻感應(yīng)加熱爐內(nèi)進(jìn)行單位面積氧化增重檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)分級(jí)退火和深冷處理能有效提高H13熱作模具鋼的高溫硬度和耐高溫磨損性能。

圖1 H13熱作模具鋼制備加工流程[5]

圖2 H13鋼淬火、回火后的碳化物類型及形態(tài)[6]

H13鋼的液析碳化物一般定義為在鑄態(tài)組織中尺寸＞0.5μm的碳化物。受外力作用時(shí)H13鋼容易因液析碳化物的存在而產(chǎn)生裂紋，因此控制液析碳化物的數(shù)量和尺寸十分必要。毛明濤等[1]指出多邊形、長(zhǎng)條形、塊狀及共晶的層片狀等多種形式存在的液析碳化物可相互依附生長(zhǎng)，成相較為復(fù)雜。圖3所示為各種形貌的不同結(jié)構(gòu)碳化物，對(duì)于鑄錠中的液析碳化物工業(yè)上一般采用1250℃以上的長(zhǎng)時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散加以消除。薛松等[9]對(duì)經(jīng)過850℃+保溫2h的球化退火處理后的H13鋼的金相組織變化進(jìn)行了研究，并通過萃取分離法將不同類型的碳化物保留下來進(jìn)而定性、定量檢測(cè)了碳化物，所用H13鋼退火前組織基本為馬氏體和珠光體，而球化過程就是其中的碳化物析出再長(zhǎng)大，碳化物的尺寸及分布狀態(tài)直接影響球化退火的效果。同時(shí)指出退火態(tài)的碳化物種類為MC、M6C、M7C3、M23C6，其中最主要結(jié)構(gòu)為M7C3即（Cr，F(xiàn)e)7C3。

圖3 各種形貌的不同結(jié)構(gòu)的碳化物[1]

3 H13鋼的強(qiáng)化工藝研究

對(duì)于H13鋼的加工、修復(fù)、強(qiáng)化工藝，研究者們也進(jìn)行了大量研究工作。毛東花[10]利用TIG 焊接方法焊接H13鋼，同時(shí)用熱處理工藝和電脈沖工藝進(jìn)行后續(xù)處理。得到的焊接接頭組織為馬氏體+碳化物，且因?yàn)槎鄬雍附拥木壒?，部分焊層區(qū)域出現(xiàn)回火馬氏體，調(diào)質(zhì)后的焊接層組織為板條狀馬氏體+回火馬氏體+碳化物，經(jīng)過瞬態(tài)高能電脈沖處理后，馬氏體晶粒尺寸變小，同時(shí)焊接接頭的硬度分布趨勢(shì)隨后處理時(shí)也變得均勻。曹洪鋼[11]采用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了H13模具的強(qiáng)化及修復(fù)，激光掃描單道為淬火態(tài)，搭接區(qū)二次激光輻照后相當(dāng)于淬火+回火處理，出現(xiàn)了部分回火馬氏體，局部硬度降低，但韌性提升。同時(shí)指出，淬火溫度1080℃時(shí)H13鋼的硬度達(dá)到最高，此時(shí)碳化物大量溶入基體，當(dāng)溫度為1100℃時(shí)，由于碳化物的大量溶入會(huì)導(dǎo)致馬氏體粗大，淬火溫度＜1020℃時(shí)未淬硬區(qū)與淬硬區(qū)之間存有拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生微裂。回火時(shí)在500℃左右出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，硬度值達(dá)到最高，但韌性最差。相關(guān)文獻(xiàn)[12]指出，成形模具鋼容易在集合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的尖端或者角部存在應(yīng)力集中，最容易生成裂紋源成為失效起始點(diǎn)。葉四友[13]等在退火態(tài)H13鋼上激光熔覆H13合金粉末，對(duì)熔覆產(chǎn)生的氣孔、裂紋缺陷進(jìn)行了分析，指出基體和粉末都要防止吸潮以免H元素導(dǎo)致氣孔，結(jié)晶過程中C形成的CO要得到有效逸出。裂紋的存在則是因?yàn)榛w與涂層之間的溫度梯度大以及界面能的不合理變化導(dǎo)致，所以，需要采用合理的預(yù)熱機(jī)制和后處理機(jī)制。顧盛挺等[14]在H13鋼基體上采用不同TiC含量的H13-TiC復(fù)合粉末進(jìn)行了激光熔覆，并獲得了復(fù)合涂層的應(yīng)力應(yīng)變曲線。發(fā)現(xiàn)添加TiC顆粒的H13涂層當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)之后，其非線性硬化效應(yīng)非常明顯。毛星[15]設(shè)計(jì)了H13鋼表面使用的耐磨減磨材料SiC+MoS2/HD-1，采用激光熔覆技術(shù)制備了覆層，并將試樣進(jìn)行了200℃×3h和560℃×3h回火處理，降低應(yīng)力的同時(shí)減少了缺陷率，從而獲得了更為均勻的金相組織以及更為優(yōu)異的力學(xué)性能。

除了焊接、激光熔覆技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中最常用的表面處理技術(shù)還有滲碳、滲硼、滲氮等方式，C、N、B等元素可以與H13模具鋼中的Cr、Mo等元素形成硬質(zhì)相，進(jìn)而提升模具表面的耐蝕、耐磨性能。楊浩鵬[3]采用表面納米化技術(shù)循環(huán)噴丸和稀土Ce催滲技術(shù)降低H13鋼化學(xué)熱處理溫度，通過滲硼技術(shù)對(duì)H13鋼進(jìn)行低溫滲硼，指出在低溫固體滲硼時(shí)，由于溫度低及鐵素體的體心立方結(jié)構(gòu)間隙小，C、Si不易擴(kuò)散而保留在了硼化物層中，因此滲硼層前沿?zé)oC、Si含量增高現(xiàn)象，也就不同且優(yōu)于傳統(tǒng)高溫滲硼，不會(huì)在硼化物附近形成軟區(qū)。鄧德偉[16]對(duì)退火態(tài)的H13鋼進(jìn)行1000℃×4h的深層滲碳處理，然后分別進(jìn)行完全退火+淬火+回火、球化退火+淬火+回火，最終得到的滲碳層顯微組織未晶界分布著小塊狀碳化物的回火索氏體。不論是完全退火還是球化退火，其主要碳化物類型為Cr7C3，得益于H13鋼的Cr含量高而易于形成富Cr碳化物。同時(shí)由于滲碳的增碳使得組織中產(chǎn)生大量位錯(cuò)纏結(jié)，所以通過位錯(cuò)強(qiáng)化作用增強(qiáng)了H13鋼的強(qiáng)韌性和硬度。

另外，可以通過Nb/Ti 微合金化、凝固控制技術(shù)對(duì)H13鋼進(jìn)行性能優(yōu)化。王明等[17]對(duì)H13鋼芯棒添加為wNb=0.06%進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可以使H13鋼的主要液析碳化物類型從VC變成 (V，Nb)C，H13中的液析碳化物也明顯增多，加重了退火態(tài)的條帶偏析，導(dǎo)致鋼的整體韌性較低，且H13鋼的有效晶粒尺寸均勻性高于H13-Nb。

4 H13鋼的增材制造研究

增材制造（Additive Manufacturing，AM）屬于近凈成形，H13鋼熱作模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式個(gè)性化，用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具整體構(gòu)件成形能最大程度地解決傳統(tǒng)模具生產(chǎn)過程的工序冗繁、周期過長(zhǎng)、成本極高的弊端。嚴(yán)凱[18]采用激光增材制造技術(shù)（Laser Metal Direct Forming，LMDF）制備了H13鋼，并對(duì)試樣進(jìn)行了不同溫度的回火處理，然后在表面熔覆Ni/WC涂層進(jìn)行表面性能提升。沉積態(tài)的試樣組織為馬氏體+殘留奧氏體+細(xì)小碳化物，非重熔區(qū)和重熔區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。回火過程中發(fā)生碳化物析出、殘留奧氏體分解、馬氏體部分轉(zhuǎn)向回火馬氏體。550℃回火析出的是大量富V碳化物，此時(shí)出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，硬度值最高達(dá)600HV0.3，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1928.2MPa；650℃回火硬度及抗拉強(qiáng)度都有所降低，但伸長(zhǎng)率增大。

圖4 LMDF制造H13鋼的顯微結(jié)構(gòu)[18]

SELCUK C[19]采用LMDF直接成形H13鋼零部件，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1703MPa，屈服強(qiáng)度1462MPa，逼近鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度值，這說明了采用激光增材制造技術(shù)進(jìn)行整體構(gòu)件成形熱作模具的可行性。TELASANG G[20]采用H13合金粉末對(duì)H13鋼材質(zhì)的模具進(jìn)行了表面增材修復(fù)，熔覆層與基體結(jié)合良好，獲得的顯微組織為細(xì)小的板條狀馬氏體、殘留奧氏體及碳化物，增材制造部分的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)1712MPa、1425MPa，均高于H13原基體值，這是采用激光增材制造技術(shù)進(jìn)行熱作模具鋼修復(fù)及制造的可行性證明。由于銅材料導(dǎo)熱性能良好，對(duì)降低多層增材制造過程中的熱量堆積有益處，所以吸引了研究者投入精力研究，如IMRAN MK[21]在銅基材上實(shí)現(xiàn)了激光增材制造H13鋼，其沖擊韌度較在銅基材上采用過渡層再沉積的H13鋼要低。

相比傳統(tǒng)鍛造技術(shù)，增材制造試樣的殘余應(yīng)力是制約該項(xiàng)技術(shù)成形構(gòu)件性能的一大因素。鄭東來[22]采用激光選區(qū)熔化（SLM）制備了接近全致密的H13鋼，屈服強(qiáng)度為1180MPa，抗拉強(qiáng)度為1581MPa，與鍛態(tài)基本一致。但顯微組織為鐵素體+馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，較鍛造退火態(tài)的鐵素體+碳化物的物相更多。SLM成形件中存在較大的殘余應(yīng)力，約為864MPa，當(dāng)退火溫度650℃、保溫4h時(shí)可以降低92%的應(yīng)力。當(dāng)鋼中不存在應(yīng)力時(shí)，同一{HKL}晶面族的面間距都相等（見圖5）；當(dāng)鋼中存在應(yīng)力時(shí)，則d發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致衍射峰的位置產(chǎn)生漂移。對(duì)于增材制造過程中的應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，相關(guān)文獻(xiàn)提出了“溫度梯度”理論[23]，即加熱過程中增材部分存在上層熱、下層冷的大溫度梯度，經(jīng)過熱脹冷縮，上層膨脹因受壓制而產(chǎn)生壓應(yīng)力，下層收縮因受限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，除此以外，殘余應(yīng)力的分布還受合金粉末性質(zhì)、激光掃描策略、成形厚度和基材情況等影響。相關(guān)研究指出，增材制造的掃描策略合理規(guī)劃，可以有效降低溫度累積，進(jìn)而降低成形應(yīng)力；單層成形后再低功率掃描，可以有效降低殘余應(yīng)力[24]；通過雙激光掃描在成形過程中實(shí)現(xiàn)即時(shí)退火，也可以有效降低殘余應(yīng)力[25]。

注：d1～d5為晶面間距

與增材制造“近凈成形”相近的是“近終成形”，噴射成形即屬于近終成形，樣件成形后晶粒細(xì)小，組織均勻，無宏觀偏析，機(jī)械加工需求降低。劉建永[26]對(duì)噴射成形H13鋼熱鍛模沉積坯分析，金相組織主要由貝氏體、馬氏體、殘留奧氏體組成，可見少量碳化物及夾雜物。張金祥[27]等用噴射成形制作了H13鋼，噴射沉積的H13鋼金相組織形態(tài)為等軸晶且無粗大碳化物，主要為過飽和鐵素體+奧氏體，同時(shí)存在部分孔隙。450℃的回火組織出現(xiàn)沿板條馬氏體方向析出的片狀滲碳體，隨著回火溫度的升高，碳化物溶解不顯著，在500℃時(shí)出現(xiàn)二次硬化。

5 結(jié)束語

H13熱作模具鋼憑借良好的高溫韌性，可以作為型腔溫度超過500℃的熱鍛模，也可以作為反復(fù)承受高溫?cái)D壓、水冷降溫等急熱急冷的熱擠壓模和壓鑄模。H13鋼的質(zhì)量和加工手段決定著模具的使用壽命，因此圍繞H13鋼展開性能優(yōu)化研究對(duì)模具行業(yè)意義重大。本文綜述了H13鋼及其相關(guān)熱處理工藝以及熱處理產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，概括了其加工、修復(fù)及強(qiáng)化的各種技術(shù)方法，總結(jié)了H13鋼增材制造的力學(xué)性能及應(yīng)力消除辦法，期望為H13鋼的強(qiáng)化以及H13鋼熱作模具制造和應(yīng)用提供理論支撐和參考。