胡中潮，唐永東，高忠玉，陳湖演，蔡健文，鄧天德

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528137；2.天津立中車輪有限公司，天津 300457）

1 引言

模具是現(xiàn)代制造業(yè)的核心裝備，其制造水平是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。模具鋼是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)材料，其性能優(yōu)劣直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。H13鋼是一種國內(nèi)外廣泛應(yīng)用熱作模具鋼，具有良好的淬透性、熱強(qiáng)性、韌性同時(shí)具有熱膨脹系數(shù)較小，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，所以這類模具鋼具有較好的工藝性以及使用性，廣泛用于工作溫度600℃以下的各種熱鍛模、熱擠壓模和鋁、鋅、鎂等有色金屬的壓鑄模以及較精密的塑料模等領(lǐng)域[1]。用H13鋼作模具生產(chǎn)鋁合金工件有以下幾種應(yīng)用場景：重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、液態(tài)模鍛和固體鍛造。模具在鋁合金工件生產(chǎn)過程中由于工作環(huán)境比較差，在使用過程中，不斷承受合金熔體沖刷、冷熱交替的熱作用和機(jī)械載荷作用，容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋、熱磨損以及開裂等形式的失效，進(jìn)而導(dǎo)致摸具壽命大大降低。H13鋼可根據(jù)使用情況通過其本身的合金優(yōu)化、合金化、熱處理、表面處理以及使用過程中維護(hù)保養(yǎng)等一種或多種方式提高其使用性能。本文綜述了H13模具鋼在鋁合金工件生產(chǎn)上的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向，為提高我國H13鋼材料水平以及鋁合金工件生產(chǎn)用模具制造的水平指明方向。

2 H13鋼在鋁合金生產(chǎn)中的損壞

鋁合金生產(chǎn)用模具工作的環(huán)境惡劣，反復(fù)受到加熱和和冷卻循環(huán)作用，表層受到內(nèi)層金屬的約束導(dǎo)致膨脹和收縮不一致產(chǎn)生熱疲勞。H13鋼基體與夾雜物和碳化物之間的膨脹系數(shù)不同，它們之間存在較大的熱應(yīng)力集中。夾雜物和碳化物與基體的硬度和塑性不同，兩者之間會(huì)受到循環(huán)應(yīng)力集中，當(dāng)鋼中的潔凈度較差或者碳化物尺寸較大以及存在碳化物偏析時(shí)對(duì)性能的影響更大。以上當(dāng)所有的應(yīng)力疊加大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)導(dǎo)致模具表面金屬熱疲勞微裂紋，后續(xù)產(chǎn)生龜裂進(jìn)而延展失效。圖1所示為H13模具在使用過程中疲勞裂紋的產(chǎn)生、龜裂以及最終擴(kuò)展斷裂。

圖1 模具表面疲勞裂紋、龜裂以及延展斷裂

H13鋼在鋁合金工件生產(chǎn)的過程中，溫度不斷循環(huán)為碳原子擴(kuò)散提供能量導(dǎo)致碳的脫溶及碳化物的粗化使材料強(qiáng)度降低并發(fā)生軟化。文獻(xiàn)[2、3]研究了H13鋼在高溫下硬度降低以及疲勞強(qiáng)度隨著應(yīng)變幅的增加降低并且高溫疲勞裂紋的氧化和應(yīng)力疊加加速了裂紋擴(kuò)展的速度。H13鋼應(yīng)用在鋁合金液態(tài)成型方面材料的流失主要以磨損面上Fe2Al5層不斷剝落為主，模具經(jīng)動(dòng)態(tài)鋁熔體腐蝕-沖刷后，形成了大面積的材料流失而失效，材料的熔蝕和磨損速度與金屬間化合物的生成及破壞速度有關(guān)[4]。重力鑄造和低壓澆注充型速度較慢、壓力較低，在生產(chǎn)過程中模具以熔蝕為主。壓鑄由于澆注速度較快，模具在使用過程中以熔蝕-磨損共同作用，這種工況下主要的失效形式是模具的腐蝕和開裂[5]。液態(tài)模鍛充型較為平穩(wěn)，在使用過程中反復(fù)承受高溫、高壓以及脫模劑冷卻的沖擊，模具以機(jī)械應(yīng)力-熔蝕為主。固態(tài)鍛造模具在生產(chǎn)鋁合金工件的過程中主要受到高溫高壓以及磨損作用導(dǎo)致表面退化和成型的尺寸變化而失效，所以固鍛模具產(chǎn)生損壞的原因多為摩擦磨損和熱疲勞裂紋[6]。

3 模具使用性能影響因素

3.1 碳化物對(duì)模具性能的影響

一次碳化物的尺寸、形貌、分布對(duì)H13鋼的使用有一定的影響。如果一次碳化物較多、碳化物尺寸較大或者存在一定的偏析，在使用的過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大，對(duì)H13鋼的疲勞性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。H3鋼中含有C、V、Mo、Cr等有時(shí)還含有Ti和Nb元素，碳化物根據(jù)成分的不同分為Mo、V、Nb或Ti，其中析出順序?yàn)門i、Nb、V、Mo、Cr，碳化物的種類有MC、M6C、M2C或M23C6。H13鋼基體的硬度約400～600HV，碳化物的硬度相對(duì)較高約1,500～2,000HV，兩者相差較大，在反復(fù)冷熱作用下，碳化物會(huì)與基體發(fā)生脫離產(chǎn)生微觀裂紋，影響模具正常的使用壽命[7]。在模具材料生產(chǎn)的過程中通過提升冷卻速度，使得凝固過程中產(chǎn)生的一次碳化物尺寸、數(shù)量和平均面積占比顯著降低，能延長模具使用時(shí)壽命，但這種方法需結(jié)合H13鋼合金成分，Mo碳化物偏析很大程度取決于冷卻速度，V碳化物對(duì)冷卻速度不敏感[8]。另外，提升冷卻速度對(duì)尺寸較小的模具效果較明顯，但是對(duì)于尺寸較大的模具，中心部位的冷卻速度仍然較低，所以很多國內(nèi)生產(chǎn)的H 13鋼退火態(tài)心部組織存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，并且在局部連成鏈狀碳化物，強(qiáng)烈影響模具材料的性能[9]。

3.2 合金化提升模具使用性能

從模具材料方面應(yīng)該優(yōu)化現(xiàn)有合金成分以及對(duì)H13進(jìn)行合金化改善一次碳化物的成分、形貌、尺寸和分布并根據(jù)使用條件研發(fā)適用的模具鋼熱處理工藝。從制造的角度應(yīng)采取模具表面處理技術(shù)如：滲氮、碳氮共滲氮或者硫氮共滲進(jìn)而增加表面硬度進(jìn)而提升模具的壽命。另外，從使用的角度來講，應(yīng)該制定合理工藝，如模具溫度、壓力參數(shù)、潤滑等以及使用一段時(shí)間后進(jìn)行回火處理消除殘余應(yīng)力和根據(jù)軟化程度進(jìn)行熱處理以重新提升模具表面的硬度對(duì)模具的使用性能均有較大的提升。

（1）優(yōu)化H13鋼合金成分。

H 13鋼中Cr元素具有較高的淬透性和較好的抗氧化能力，但Cr的加入會(huì)增加碳化物的不均勻程度，會(huì)出現(xiàn)更多不穩(wěn)定性的Cr23C6型碳化物，其高溫性能較差，在加熱到1,100℃時(shí)基本上完全溶解，這類碳化物容易在晶界上偏聚而且還促進(jìn)雜質(zhì)元素的偏聚，引起第二類回火脆性，其含量過高會(huì)對(duì)高溫液態(tài)成型的模具會(huì)產(chǎn)生不利的影響。V元素在H13鋼中能形成彌散強(qiáng)化相，并推遲Mo2C向M23C6轉(zhuǎn)變并防止碳化物粗化。含Mo和V的碳化物在回火處理過程中，可以產(chǎn)生Mo2C和VC，這些細(xì)小的含Mo和V碳化物可以更加有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[10]。Mo2C和VC尺寸穩(wěn)定的能力優(yōu)于含Cr的碳化物，具有良好的二次硬化效果和耐回火性。Si元素促進(jìn)早期回火過程中滲碳體的析出[11]，使得碳化物粗化，所以Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)會(huì)降低熱作模具鋼的二次硬化效果。通過降低Si含量進(jìn)而降低Cr、Mo、V等元素的偏析可以改變碳化物的尺寸和形貌并提升H13鋼的沖擊韌性[12]。

（2）加入其它合金元素。

H13鋼的性能與合金元素及其含量密切相關(guān)，通過添加W元素并調(diào)整淬火和回火溫度，得到二次回火硬化而且具有良好的抗沖擊能力的模具鋼[13]。文獻(xiàn)[14]、[15]通過降低Cr含量、增加Mo含量并引入N降低了M23C6、增加MC以及MC6型碳化物并提升MC型碳化物的分散度。而且在回火過程中N固溶到基體中引起晶格畸變也增加固溶強(qiáng)化效果使得模具壽命有所提升。Nb具有細(xì)晶強(qiáng)化效果、提升鋼的奧氏體化溫度加速碳化物的溶解使淬火后馬氏體中碳和合金元素含量不斷增加，回火時(shí)有更多細(xì)小彌散的二次碳化物從基體中析出，最終改善鋼的強(qiáng)韌性和熱疲勞性[16]。通過在H13鋼中加入Nb、Ti、V中的一種或多種元素，通過減少含Cr碳化物的含量，增加穩(wěn)定性較好的MC碳化物含量使模具鋼的組織更加穩(wěn)定、細(xì)小并使模具鋼的熱導(dǎo)性和耐磨性都得到提升[17]。稀土元素可以控制彌散強(qiáng)化相的分布、尺寸并起到合金化的作用，研究表明La在H13鋼中起到晶粒細(xì)化[18]、脫氧、沉淀強(qiáng)化和位錯(cuò)增值等作用使得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及沖擊韌性均有較大的提升。

3.3 模具鋼熱處理對(duì)其性能的影響

熱處理組織控制是影響模具壽命的主要因素，H13鋼錠中存在樹枝狀偏析[19]，在受到外力、后續(xù)加工以及淬火時(shí)容易產(chǎn)生變形和裂紋，嚴(yán)重影響材料的韌性。H13鋼中含有較多的碳化物形成元素，在回火過程中會(huì)析出更加細(xì)小彌散的碳化物，使模具鋼產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，有效地抑制模具在使用過程中的軟化過程增加模具的壽命。退火處理可以改善H13鋼組織缺陷、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力并未為H13鋼最終熱處理提供組織上的準(zhǔn)備。孫立國等研究了鍛后退火處理對(duì)H13鋼組織和沖擊韌性的影響[20]，隨著退火溫度的升高以V為主的MC碳化物逐漸減少，但當(dāng)V碳化物全部溶解時(shí)晶粒長大嚴(yán)重，采用高溫?cái)U(kuò)散是控制H13鋼中碳化物最主要的手段，但具體工藝有待進(jìn)一步研究。H13淬火后有效地消除了MC、M23C6、M7C3和MC碳化物偏析，文獻(xiàn)[21]研究熱處理對(duì)H13鋼性能的影響，析出物的體積分?jǐn)?shù)從1.05%到2.85%，平均尺寸先減小后增大，導(dǎo)致不同的熱處理使析出物對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)從247.9MPa增加到378.5MPa。何文超等采用350℃等溫淬火獲得馬氏體/下貝氏體復(fù)合組織[22]，減緩了表面硬度的降低的趨勢，熱疲勞性能也隨之有所提升。H13經(jīng)過深冷處理促使鋼中碳原子偏聚并在回火過程中以碳化物的形式析出并促使部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[23]，處理后試驗(yàn)鋼的硬度高于淬火態(tài)鋼的硬度且深冷處理的H13具有更好的組織熱穩(wěn)定性?；驹?～25nm這個(gè)尺寸范圍的碳化物粒子一般可對(duì)鋼材形變過程中的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)起到一定的阻礙作用[24]，所以H13鋼可以通過退火、固溶、回火等熱處理對(duì)碳化物尺寸、形貌以及分布的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能的提升。

4 表面處理對(duì)其性能的影響

模具大部分失效都是從表面開始的，所以，表面處理也是提高模具壽命的關(guān)鍵。激光熔覆的技術(shù)是利用高能激光將與基體相同或不同成分的材料熔化、沉積從而在基體表面制備出冶金結(jié)合的涂層。H13鋼經(jīng)激光重熔表面淬火處理后其硬度、耐磨性和耐蝕性明顯提升，經(jīng)10,000次疲勞試驗(yàn)后，表面裂紋較未處理的裂紋小[25]。在模具表面熔覆Co、WC以及復(fù)合材料顆粒等高溫物質(zhì)提高模具壽命也有較多研究[26～29]，涂覆鈷基復(fù)合層，表面覆蓋致密的氧化層避免模具直接磨損，熔覆層的耐磨性比H13鋼好[30]。劉立君等研究了H13鋼激光熔覆陶瓷修復(fù)技術(shù)[31]，修復(fù)層的最高硬度為基體的2.6倍，提高了H13鋼的使用壽命。Vourlias等人采用等離子噴涂工藝在H13表面制備了氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯涂層[32]，該涂層144h侵蝕質(zhì)量幾乎為0。Stenio Cristald等在滲B條件下形成FeB、FeB2和CrB[33]，硬度明顯高于基體，磨損體積比未滲硼的基體平均小96%，大大改善了H13鋼的耐磨性。Jianhua Zhao等采用電弧噴涂技術(shù)在H13表面處理FeCrAl涂層[34]，靜態(tài)熔融處理3h后，H13腐蝕重量是FeCrAl涂層腐蝕重量的17倍。Ahmad Farooq等采用等離子滲氮/電弧離子鍍復(fù)合方法在H13模具鋼表面制備出CrON涂層抑制了柱狀晶生長[35]，結(jié)構(gòu)更加致密，提高抗鋁液熔蝕性能。朱振中等使用空心陰極輔助設(shè)備對(duì)H13鋼進(jìn)行離子滲氮處理[36]，耐磨性提高了12～14倍，各項(xiàng)性能較未滲氮前均有大幅度提升。但是在高溫鋁液中的熔蝕-磨損工況下，有限的表面層厚度并不能起到有效的保護(hù)作用。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)模具鋼的使用條件優(yōu)化H13合金鋼的成分或者通過添加其它的合金元素控制一次碳化物的種類、尺寸、分布以及形貌并改變碳化物的穩(wěn)定性進(jìn)而提升模具的使用壽命。在高溫工作條件下的H13鋼應(yīng)該降低Cr元素的含量并提高提高M(jìn)o、V元素的含量并確保生成更多的MC6、MC型碳化物。

（2）H13鋼可以通過退火、固溶、回火等熱處理手段實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化物尺寸、形貌以及分布的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模具性能的提升。

（3）激光表面強(qiáng)化方式是在不改變材料整體性能的前提下提升表面的耐磨、耐蝕進(jìn)而提升模具的疲勞性能，此種方法還可以在模具維修方面具有廣泛的應(yīng)用，這種方式降低了模具的成本和能耗，該技術(shù)值得推廣。