H13模具鋼鋁合金工件生產應用現狀綜述＊

胡中潮，唐永東，高忠玉，陳湖演，蔡健文，鄧天德

（1.佛山職業技術學院，廣東佛山 528137；2.天津立中車輪有限公司，天津 300457）

1 引言

模具是現代制造業的核心裝備，其制造水平是衡量一個國家制造業水平的重要指標。模具鋼是裝備制造業的基礎材料，其性能優劣直接影響著產品的質量、生產效率和生產成本。H13鋼是一種國內外廣泛應用熱作模具鋼，具有良好的淬透性、熱強性、韌性同時具有熱膨脹系數較小，熱傳導系數大，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域[1]。用H13鋼作模具生產鋁合金工件有以下幾種應用場景：重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、液態模鍛和固體鍛造。模具在鋁合金工件生產過程中由于工作環境比較差，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械載荷作用，容易產生熱疲勞裂紋、熱磨損以及開裂等形式的失效，進而導致摸具壽命大大降低。H13鋼可根據使用情況通過其本身的合金優化、合金化、熱處理、表面處理以及使用過程中維護保養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上的國內外應用現狀及發展方向，為提高我國H13鋼材料水平以及鋁合金工件生產用模具制造的水平指明方向。

2 H13鋼在鋁合金生產中的損壞

鋁合金生產用模具工作的環境惡劣，反復受到加熱和和冷卻循環作用，表層受到內層金屬的約束導致膨脹和收縮不一致產生熱疲勞。H13鋼基體與夾雜物和碳化物之間的膨脹系數不同，它們之間存在較大的熱應力集中。夾雜物和碳化物與基體的硬度和塑性不同，兩者之間會受到循環應力集中，當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對性能的影響更大。以上當所有的應力疊加大于材料的強度極限時導致模具表面金屬熱疲勞微裂紋，后續產生龜裂進而延展失效。圖1所示為H13模具在使用過程中疲勞裂紋的產生、龜裂以及最終擴展斷裂。

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的過程中，溫度不斷循環為碳原子擴散提供能量導致碳的脫溶及碳化物的粗化使材料強度降低并發生軟化。文獻[2、3]研究了H13鋼在高溫下硬度降低以及疲勞強度隨著應變幅的增加降低并且高溫疲勞裂紋的氧化和應力疊加加速了裂紋擴展的速度。H13鋼應用在鋁合金液態成型方面材料的流失主要以磨損面上Fe2Al5層不斷剝落為主，模具經動態鋁熔體腐蝕-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[4]。重力鑄造和低壓澆注充型速度較慢、壓力較低，在生產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]。液態模鍛充型較為平穩，在使用過程中反復承受高溫、高壓以及脫模劑冷卻的沖擊，模具以機械應力-熔蝕為主。固態鍛造模具在生產鋁合金工件的過程中主要受到高溫高壓以及磨損作用導致表面退化和成型的尺寸變化而失效，所以固鍛模具產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 碳化物對模具性能的影響

一次碳化物的尺寸、形貌、分布對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，在使用的過程中產生的附加應力較大，對H13鋼的疲勞性能會產生不利的影響。H3鋼中含有C、V、Mo、Cr等有時還含有Ti和Nb元素，碳化物根據成分的不同分為Mo、V、Nb或Ti，其中析出順序為Ti、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，碳化物的硬度相對較高約1,500～2,000HV，兩者相差較大，在反復冷熱作用下，碳化物會與基體發生脫離產生微觀裂紋，影響模具正常的使用壽命[7]。在模具材料生產的過程中通過提升冷卻速度，使得凝固過程中產生的一次碳化物尺寸、數量和平均面積占比顯著降低，能延長模具使用時壽命，但這種方法需結合H13鋼合金成分，Mo碳化物偏析很大程度取決于冷卻速度，V碳化物對冷卻速度不敏感[8]。另外，提升冷卻速度對尺寸較小的模具效果較明顯，但是對于尺寸較大的模具，中心部位的冷卻速度仍然較低，所以很多國內生產的H 13鋼退火態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

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

（1）優化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的加入會增加碳化物的不均勻程度，會出現更多不穩定性的Cr23C6型碳化物，其高溫性能較差，在加熱到1,100℃時基本上完全溶解，這類碳化物容易在晶界上偏聚而且還促進雜質元素的偏聚，引起第二類回火脆性，其含量過高會對高溫液態成型的模具會產生不利的影響。V元素在H13鋼中能形成彌散強化相，并推遲Mo2C向M23C6轉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，可以產生Mo2C和VC，這些細小的含Mo和V碳化物可以更加有效地阻礙位錯的運動[10]。Mo2C和VC尺寸穩定的能力優于含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質量分數過高時會降低熱作模具鋼的二次硬化效果。通過降低Si含量進而降低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，通過添加W元素并調整淬火和回火溫度，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[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化效果使得模具壽命有所提升。Nb具有細晶強化效果、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，回火時有更多細小彌散的二次碳化物從基體中析出，最終改善鋼的強韌性和熱疲勞性[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，增加穩定性較好的MC碳化物含量使模具鋼的組織更加穩定、細小并使模具鋼的熱導性和耐磨性都得到提升[17]。稀土元素可以控制彌散強化相的分布、尺寸并起到合金化的作用，研究表明La在H13鋼中起到晶粒細化[18]、脫氧、沉淀強化和位錯增值等作用使得抗拉強度、屈服強度以及沖擊韌性均有較大的提升。

3.3 模具鋼熱處理對其性能的影響

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、后續加工以及淬火時容易產生變形和裂紋，嚴重影響材料的韌性。H13鋼中含有較多的碳化物形成元素，在回火過程中會析出更加細小彌散的碳化物，使模具鋼產生二次硬化現象，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、細化晶粒、消除內應力并未為H13鋼最終熱處理提供組織上的準備。孫立國等研究了鍛后退火處理對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V碳化物全部溶解時晶粒長大嚴重，采用高溫擴散是控制H13鋼中碳化物最主要的手段，但具體工藝有待進一步研究。H13淬火后有效地消除了MC、M23C6、M7C3和MC碳化物偏析，文獻[21]研究熱處理對H13鋼性能的影響，析出物的體積分數從1.05%到2.85%，平均尺寸先減小后增大，導致不同的熱處理使析出物對屈服強度的貢獻從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變為馬氏體[23]，處理后試驗鋼的硬度高于淬火態鋼的硬度且深冷處理的H13具有更好的組織熱穩定性。基本在2～25nm這個尺寸范圍的碳化物粒子一般可對鋼材形變過程中的運動位錯起到一定的阻礙作用[24]，所以H13鋼可以通過退火、固溶、回火等熱處理對碳化物尺寸、形貌以及分布的控制進而實現性能的提升。

4 表面處理對其性能的影響

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鍵。激光熔覆的技術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合的涂層。H13鋼經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10,000次疲勞試驗后，表面裂紋較未處理的裂紋小[25]。在模具表面熔覆Co、WC以及復合材料顆粒等高溫物質提高模具壽命也有較多研究[26～29]，涂覆鈷基復合層，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技術[31]，修復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定二氧化鋯涂層[32]，該涂層144h侵蝕質量幾乎為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在H13表面處理FeCrAl涂層[34]，靜態熔融處理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]，結構更加致密，提高抗鋁液熔蝕性能。朱振中等使用空心陰極輔助設備對H13鋼進行離子滲氮處理[36]，耐磨性提高了12～14倍，各項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作用。

5 結論

（1）根據模具鋼的使用條件優化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定性進而提升模具的使用壽命。在高溫工作條件下的H13鋼應該降低Cr元素的含量并提高提高Mo、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現對碳化物尺寸、形貌以及分布的控制進而實現模具性能的提升。

（3）激光表面強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用，這種方式降低了模具的成本和能耗，該技術值得推廣。