電渣重熔對H13熱作模具鋼成品的影響分析

鄒 磊，吳和保

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來，隨著模具工業的迅速發展,模具鋼的發展也極為迅速。由于工業生產技術的發展和不斷出現的新材料，模具的工作條件日益苛刻，對模具鋼的性能、品質、品種等方面不斷地提出了新的要求，為此，世界各國近年來都積極開發了具有各種特性、適應不同性能要求的新型模具鋼。

H13作為最具代表性、應用最廣泛的熱作模具鋼，是一種中碳中合金過共析鋼，我國與之對應的鋼號是4Cr5MoSiV1，在高溫下有很高的強度和硬度，以及不錯的耐磨性，工作溫度可以達到540 ℃，導熱性好，抗冷熱疲勞能力強，適合水冷操作，非常適合在高溫高壓這種惡劣的環境下工作。由于H13熱作模具鋼的工作環境十分惡劣，疲勞失效是H13鋼的主要失效形式，鋼中的有害元素磷、硫以及夾雜物是其失效的主要原因，一般企業會采用電渣重熔的方式來降低有害元素以及夾雜物數量和尺寸，提高H13鋼的使用壽命。本文選取黃石榮盛優鋼有限公司的H13(未經電渣重熔)和H13R(經過電渣重熔)兩種鋼產品對其元素含量和夾雜物尺寸種類進行研究比對分析，以總結出電渣重熔對H13鋼成品潔凈度的影響，優化H13熱作模具鋼生產工藝。

1 試驗材料與方法

將榮盛優鋼有限公司的H13與H13R兩種鋼切成10 mm×10 mm大小的截面，先用夾具進行固定，然后對切口進行打磨，用金剛石進行拋光，再用4%的硝酸酒精溶液將切口進行腐蝕處理，獲得表面平整度高且拋光效果的試樣，最后采用高倍光學顯微鏡觀察夾雜物的大小、形狀、顏色以及分布情況，記錄下來。同時采用鉆頭鉆入試樣截面16 mm以上，獲取顆粒狀屑樣，去除表面氧化層以及雜物，混合均勻再用試樣袋裝好，使用TP-CS2C型碳硫高速分析儀測量碳元素和硫元素含量，再使用XRF熒光光譜分析儀測量其他元素含量。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗鋼元素含量分析

對試樣鋼所含元素進行分析，結果如表1所示。榮盛H13R鋼的殘余元素Cu和Ni分別為0.16%、0.08%，有害元素S和P的含量分別為0.003%、0.018%，其中Cu和S明顯低于未經電渣重熔處理的榮盛H13鋼，Ni元素略低于H13鋼，說明經過電渣重熔的鋼有害元素和殘余元素都有所降低。而且可以看出，未經電渣重熔處理的H13鋼各類元素雖然符合H13鋼標準(GB/T1299-2014)，但是元素控制有的走上線，例如C、Mn、V、Mo，有的走下線，如Si、Cr；經過電渣重熔的H13R鋼中V、Mo元素偏下線，而C、Mn、V、Mo四種元素含量走中線。

表1 榮盛優鋼有限公司生產的H13和H13R所含元素(質量分數) %

在固態條件下，S元素在鋼中的溶解度極小，主要以FeS的形式存在，其塑性極差，在奧氏體晶界上產生偏聚，晶粒之間的結合被破壞，導致H13熱作模具鋼產生熱脆性，影響后續鍛造加工，降低成品率，更會降低模具鋼使用壽命。而P元素則會在晶粒內部產生偏聚，使H13熱作模具鋼產生冷脆。有研究數據表明，將P和S的質量分數從0.03%降低至0.01%以下，會使H13熱作模具鋼的沖擊功提高一倍，并且顯著提高鋼的冷熱疲勞性能。

2.2 夾雜物尺寸大小分析

H13鋼夾雜物分為A(硫化物)、B(氧化鋁)、C(硅酸鹽類)、D(球狀氧化物)和DS(單顆粒球狀類)五種類別。將試樣的拋光面面積控制在100 mm2，試樣拋光打磨后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用光學顯微鏡進行觀察。夾雜物檢驗通常采用100倍的放大倍率，每個觀察視場的實際面積為1 mm2。將每一個觀察的視場與標準評級圖譜相對比，如果一個視場處于兩相鄰標準圖片之間時，則記為較低的一級。圖1為兩種鋼試樣的夾雜物掃描圖。

圖1 兩種試樣的夾雜物掃描圖

關于A類、B類和C類夾雜物的評級，對于兩個不在一條線上的條(串)狀夾雜物，當兩個夾雜物縱向距離d≤40 μm或者橫向距離s(夾雜物中心距離)≤10 μm，就應當視為一條(串)狀夾雜物，如圖2所示。如果一條(串)狀夾雜物內部夾雜物寬度不同，就應當將最寬部分寬度視為該條(串)狀夾雜物的寬度。

圖2 條(串)狀夾雜物的評級

夾雜物判定流程如圖3所示。圖3中球狀夾雜物系中又分為球狀硫化物(A類夾雜物)和球狀氧化物(D類夾雜物)，通過觀察其顏色區分，如果反射率低就是球狀氧化物，歸為D類夾雜物，如果反射率高則是球狀硫化物，歸為A類夾雜物。

圖3 夾雜物判定流程

將試樣拋光面平均分為100個視場，每一視場同標準圖片相對比，每類夾雜物按細系或粗系記下與檢驗視場最符合的級別數，然后計算出每類夾雜物和每個系列夾雜物相應的總級別數itot和平均級別數imoy。

設級別為0.5的視場數為n1；級別為1的視場數為n2；級別為1.5的視場數為n3；級別為2的視場數為n4；級別為2.5的視場數為n5；級別為3的視場數為n6。則總級別數itot=(n1×0.5)+(n2×1)+(n3×1.5)+(n4×2)+(n5×2.5)+(n6×3)。

imoy=itot/N，N為視場數100。兩種試樣的夾雜物評級結果如表2所示。

表2 兩種試樣的夾雜物評級

2.3 夾雜物綜合評價

可以看到，經過電渣重熔的H13R試樣的夾雜物在數量和尺寸上都明顯低于未經電渣重熔處理的H13試樣，尤其是A類夾雜物(硫化物)和DS類夾雜物，但是D類夾雜物(細系)含量升高，需要對電渣重熔工藝進行優化。同時，在圖1可以觀察到H13R試樣的夾雜物更加細小彌散，圓形度更高(圓形度越趨向于1則夾雜物越接近球形)，球狀的夾雜物塑性更好，在后續的鍛造過程中更容易隨著基體形變，對鋼的力學性能以及使用壽命影響更小。

而未經電渣重熔的H13試樣，根據夾雜物能譜儀(EDS)分析，夾雜物主要是鋼材中常見的夾雜物Al2O3和MnS。其中，Al2O3為硬脆相，在鍛造時容易破碎，呈現鏈狀分布，其熱膨脹系數比基體小，與基體接觸應力大，所以Al2O3界面容易斷開。硫元素在鋼液冷凝過程中會在樹枝晶處富集，當硫元素含量過高時,會和錳元素結合在基體內產生MnS。在后續鍛造過程中夾雜物會沿著鋼材主變形方向產生塑性變形，如MnS包裹著Al2O3呈帶狀分布，不與基體變形一致，從而造成應力集中，降低了H13鋼的使用壽命。

3 結論

(1)經過電渣重熔的H13R鋼，在去除硫元素上起到了不錯的效果，硫的質量分數從0.008%(未經電渣重熔)降到0.003%，遠低于H13鋼的最高標準線0.030%(GB/T1299-2014)，Ni、Cu等殘余元素的含量也大幅度降低。

(2)未經電渣重熔的H13鋼的元素含量雖然符合國家標準(GB/T1299-2014)，但是多種元素含量緊貼標準線，而經過電渣重熔的H13R鋼各元素含量較為合理。

(3)經過電渣重熔的H13R鋼夾雜物更加彌散細化，圓形度更大，更接近球形，對后續鍛造的不利影響更小，鋼的力學性能更好。

(4)經過電渣重熔后的H13R鋼，D類細系夾雜物(球狀氧化物)反而有升高的趨勢，應當進一步優化電渣重熔工藝，例如采用保護氣氛來隔絕大氣中氧元素，降低渣系堿度，去除自耗電極氧化皮等，還可以對后續VD真空度脫氣工藝進行優化處理。