提升H13熱作模具鋼質量的工藝研究

張 曜

（韶關市中機重工股份有限公司，廣東 韶關 512000）

H13是一種典型的熱作模具鋼，，屬于中合金超高強度鋼，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，目前在國內鋁壓鑄模、鋁擠壓模及熱鍛模方面普遍應用，市場需求巨大。但在使用要求較高的行業，特別是鋁壓鑄等行業，大多數模具仍使用進口材料。究其原因，主要是因為國內企業對大截面H13模具在鍛造及鍛后處理工藝方面不成熟，產品質量不穩定。

與進口熱作模具鋼相比，國內摸具鋼主要存在幾個方面的問題：原材料液析碳化物超標，S、P含量超標；鍛造工藝不成熟，模具鋼各項性能相差大，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、碳化物網狀，模具最終熱處理或使用中時容易開裂。本文用于工藝研究的鍛件尺寸Φ820×260，采用“均質化—三向鍛造—細晶化—等溫球化退火”生產工藝，檢驗鍛件三向性能一致、退火組織均勻、碳化物顆粒彌散分布，已向國內知名鋁型材廠家批量供貨。

1 原材料質量控制

中機重工生產鋁型材擠壓模具用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。同時對原材料化學成份，特別是S、P及氣體含量進行嚴格控制，原材料化學成份見表1。連鑄坯進行電渣時，應嚴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，同時盡量縮小鋼錠內部等軸晶間距，避免組織粗大。

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

表1 H13電渣錠化學成份

2 加熱工藝方法及控制要點

H13熱作模具鋼屬于中合金超高強度鋼，Cr、Ni、Mo含量高，在冶煉及電渣工序中很容易產生成份偏析、共晶碳化物、液析碳化物等冶金質量缺陷。如果不加以消除，對最終模具危害甚大：熱處理時容易開裂、表面龜裂、塌陷等模具早期失效。為有效解決這一問題，我們在鍛造加熱時特別對電渣錠進行均質化處理，使鋼釘中合金碳化物及液析碳化物充分溶解擴散，均質化工藝參數見圖1。

H13電渣錠在加熱時，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生裂紋，一旦產生裂紋，該件鋼錠只能報廢處理。根據鋼錠質量狀況，均質化溫度一般選用1240℃～1280℃，以鋼錠不產生過熱狀況為宜，高溫保溫時間應不少于20小時，以便碳化物充分擴散溶解。鍛造開始前，應將爐溫降低40℃并保溫2小時再開鍛，能有效降減少表面裂紋。

圖1 加熱工藝

3 鍛造工藝設定及控制要點

為了有效提高模具鋼使用壽命，必須對電渣錠進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。鍛造工藝設定時必須注意以下幾個方面的問題：

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

（2）H13鋼模具鍛造后不得有粗晶、網碳出現，故最后一火次的鍛造變形量應大于25%，鍛后應進行急冷，一般采用分級水冷或風冷。

（3）為保證模具各向性能均衡一致，鍛造時必須進行三向變形，每個方向的拔長及鐓粗比均大于2，三個方向總的變形比≥6，但成型時必須確保原材料流向為模具縱向。

4 細晶化工藝設定及控制要點

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

表2 細晶化冷卻規范

5 球化退火工藝及控制要點

H13鋼鍛造狀態為珠光體、貝氏體、馬氏體、和合金碳化物的混合組織，組織狀態復雜、硬度高、組織應力大，需要采用球化退火工藝改善組織。球化退火后應得到：等軸狀的細小碳化物均勻分布在鐵素體基體上，不允許出現網狀、鏈狀碳化物。為了得到理想退火組織，應嚴格控制鍛造后冷卻方式及冷卻速度、退火裝爐方式、退火工藝等關鍵過程參數。退火組織的優劣影響熱作模具鋼的沖擊韌性，此類鋼通常應用于急冷急熱及高壓工作環境，熱疲勞裂紋是最主要的失效形式。在一定強度下，高的沖擊韌性對于提高模具熱疲勞抗性，阻止裂紋擴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別之間的確存在對應關系，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 實物質量檢驗

對本批次生產的15件H13鍛件（規格：Φ820×260）100%進行金相、探傷檢查。探傷檢查15件鍛件全部合格，按北美壓鑄協會標準NADCA#207-2008評定，15件鍛件表面金相達到AS1標準，金相圖片見圖3。

圖3 表面金相圖片×500

對其中一件進行切割后檢查中心金相，金相組織也達到AS1標準，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件進行切割，切割后在鍛件中心X、Y、Z三個方向試樣塊，對試樣塊進行調質熱處理后，加工成標準試樣進行無缺口沖擊試驗，沖擊試驗結果見附表3。

表3 沖擊試驗結果

7 結論

（1）從實物檢查結果看，本批H13鍛件經過“均質化—三向鍛造—細晶化—球化退火”處理后，鍛件金相組織呈細小彌散分布的球狀珠光體組織，退后組織中沒有發現貝氏體組織。鍛件沖擊性能優良，且X、Y、Z三個方向沖擊值均勻（偏差在30J以內）。

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

（3）通過對本批H13鍛件的生產驗證，研究確定的“均質化—三向鍛造—細晶化—球化”工藝可以進行批量生產，且產品質量穩定，可以進行普遍推廣應用。