大截面高品質熱作模具鋼H13關鍵制備工藝探究＊

張心金，祝志超，李 曉，張雪姣，朱 琳

（1.中國第一重型機械股份公司，黑龍江齊齊哈爾 161042；2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

1 引言

2015年，我國國務院印發了《中國制造2025》，部署中國全面推進實施制造強國戰略，并作為第一個十年的行動綱領，對于鋼鐵業將帶來巨大的高端鋼鐵市場及巨大挑戰[1]。同時，中國“十四五”發展規劃提出“雙碳”目標，因此，各企業必將順應趨勢、把握機遇，加快構建綠色產業鏈、供應鏈，并向智能制造、綠色制造、服務型制造轉變，迎接未來發展的曙光[2]。

隨著我國結構產業調整，模具水平已成為衡量制造業發展水平的重要標準之一，各大特鋼鋼廠也在不斷產業升級，提高模具鋼產品質量要求，從而來滿足日益增長的模具需求。但我國模具產業，總體仍處于“大而不強”的局面，尤其是一些有特殊需求的模具，如大截面高品質模具，仍需要從國外進口，這也顯現出我國在模具原材料制造方面急需進行二次能力提升[3]。熱作模具鋼，作為模具鋼中的一種類型，由于其常應用于高溫、高應力等惡劣復雜工況中，從而對模具鋼材料本身具有很高的性能要求，尤其是大截面高品質模具鋼，受冶煉、鍛造、熱處理等處理工序的影響，對模具鋼產品質量不易得到保障[4～5]。

中國一重擁有萬噸水壓機，產品涉獵核電、軍工、火電、水電等眾多領域，材質包括合金鋼、不銹鋼等各種產品，天然擁有特鋼基因，利用自身個性化鑄鍛等優勢，可以向市場輸出數量可觀的大截面高品質模具鋼。目前，中國一重承擔了黑龍江省“百千萬”工程技術重大專項模具鋼項目，意在解決直徑規格大于?1m的大規格高品質模具鋼關鍵制備工藝，為客戶提供高性能模具鋼產品。下面通過對業內H13熱作模具鋼的關鍵制備工藝進行了總結探討，并針對中國一重生產特色，提出大截面高品質H13模具鋼制備技術路線。

2 大截面H13模具鋼應用失效實例分析

H13作為強韌性、耐冷熱疲勞等性能優良的熱作模具鋼，多用于壓鑄、鍛造、擠壓等多種場合，尤其是有一些產品需要大型熱作模具時，都會考慮使用H13模具鋼，但在使用期間仍會存在很多的問題。

圖1為某公司大型核電鍛件擠壓用大厚壁H13模具，產品采用120t電渣爐進行冶煉控制，經多次鐓拔、退火及淬火熱處理后，在模具上端拐角處發生長條狀開裂，其起裂源位于拐角處，并分別向端面及內壁擴展斷裂。經后續分析，主要原因為模具鋼坯料內部粗大夾雜物及表層脫碳在經淬火熱處理后未能及時回火處理導致后續模具應力不均，從而導致在模具拐角處開裂。另一公司生產的H13材質的厚壁模具底盤則在大型核電鍛件擠壓過程中發生嚴重開裂，如圖2所示，為模具內壁表面開裂形貌，裂紋自模具上端面至下端面已形成貫穿式開裂，并從模具中心向左右兩側擴展，其中，模具中心局部位置已被裂紋分裂形成多個“閉環”區域。本模具在使用前雖然已經過200～300℃烘烤預熱，但在坯料變形中仍發生開裂。經后續分析，仍為材料內部質量問題所導致的應力集中，從而造成這種整個端面的嚴重開裂。圖3給出的是某公司車輪制造用模具，該模具經一段使用時間后被下線替換。從圖3中可以看出，模具表面布滿了深淺長短不一的裂紋，同時局部已出現龜裂、剝落等現象，主要是由于模具在車輪制造過程中使用頻次高，坯料變形溫度在1,000℃以上，過程中并伴有急冷急熱，磨損嚴重，并最終導致模具熱疲勞開裂而下線報廢。有資料研究表明，H13模具鋼中的夾雜物對其熱疲勞破壞最為顯著，尤其是聚集在鋼基體內部的脆性夾雜物所造成的應力集中，并最終導致模具開裂失效[6～7]。

圖1 核電鍛件擠壓用大厚壁H13模具鋼調質處理后裂紋形貌

圖2 核電鍛件擠壓用大厚壁 H13模具底盤加工后開裂形貌

圖3 列車車輪制造用 模具熱疲勞裂紋

有效去除夾雜物、有害元素、氣體等，并降低偏析、縮松等質量缺陷作為電渣冶煉的特點，而被應用到大鍛件的制造中[8]。但對于大型電渣設備，若工藝控制不當，也會導致氣體超標、夾雜、偏析等質量問題；同時，對于大截面電渣產品，隨著直徑尺寸的加大，受尺寸效應的影響仍將重新出現偏析等現象[9～10]。H13模具失效形式及失效原因如表1所示[11～13]，從表1中可以看出，模具的失效主要和材料的合金成分設計、冶煉、鍛造、熱處理等關鍵制備工藝有關。

表1 H13模具失效形式及失效原因

3 H13鋼合金成分優化設計

關于H13模具鋼合金元素，主要包含C、Cr、Mn、Si、Mo、V等，前期相關資料已有研究[14～15]。為便于后續合金成分優化設計，現將其各主要元素、作用、設計思路予以簡單總結，如表2所示。

表2 H13鋼合金元素及作用

關于對H13改進型設計，學界也有鮮明的研發方向。其中之一便是低Si高Mo設計思路[16]，即，大幅度降低Si含量（0.003～0.20wt.%），同時提高Mo含量（1.65～2.00wt.%）。將文獻中20組案例性能進行整理如圖4所示，其第7、8兩組綜合性能最佳。關于降低Si含量，主要是為了減輕偏析，促進組織均勻化，減少共晶碳化物，細化奧氏體結晶，提高塑性和韌度，并減小高溫疲勞裂紋擴展速度，提高抗熱裂性；但Si含量顯著降低，必會引起切削性能降低，目前其有關改良的方法還在繼續研究中。對于提高Mo含量，主要是提高其淬透性，并抑制晶界碳化物的析出和貝氏體轉變，同時提高回火抗力與韌度，并保障高溫強度、高溫蠕變強度、抗熱裂能力；細化共晶碳化物和均勻碳化物分布。而另一對立思路則是提高Si，并適當降低Cr、Mo等合金元素的含量[17]，其設計啟示主要來自航空用合金300M鋼中Si含量高達1.6wt.%，在其試驗中提高Si的改進型鋼出現了比H13鋼更好的抗回火軟化性能和熱疲勞性能，其主要原因是由于Si含量適量增加，可以影響鋼淬火后殘余奧氏體及其內部碳的分配，從而影響奧氏體的穩定性及滲碳體的析出。兩種方案與GBT 1299-2014《工模具鋼》及《NADCA推薦H13工具鋼工藝規范》中元素范圍有了較大幅度的調整。

圖4 H13改進型低Si高Mo方案中各案例性能對比圖

由于H13是靠二次硬化的作用保障其后續產品的使用性能，因此，在進行合金元素設計時，應重點對碳化物形成元素進行關注，即，在考慮強度、硬度、塑性、韌性、高溫性能、切削性能、耐腐蝕性能等綜合性能下，重點考慮后續淬火性能及回火二次硬化的穩定性。

4 關鍵制備工藝控制

4.1 冶煉控制

對于H13鋼冶煉，目前主要包括電爐冶煉與電渣冶煉，前期已有相關文獻進行了研究[18～19]。兩種冶煉方式對H13性能有很大的區別。第一，液析碳化物差別較大，電爐鋼中由于鋼液注溫和模溫過高，從而存在大量大尺寸液析碳化物，由于其在后續淬、回火后未發生明顯變化，從而嚴重影響鋼的韌性；第二，電渣鋼由于其冶煉方式，其致密性、純凈度均高于電爐鋼，且退火組織均勻。

因此，在設計后續大規格高品質H13鋼的研發思路上，若采用電爐鋼，則需優化冶煉參數，在保證其純凈度、致密性的同時，盡量減少液析碳化物的數量或細化液析碳化物，可采用“液固復合增材制坯”的新思路來保障大截面鍛件的均勻性，從而確保H13電爐鋼質量。同時，對于電渣鋼，在控制大塊碳化物的同時，還應控制N、O元素含量，減少氧化物及氮化物對其質量的影響[20～21]。

4.2 鍛造及鍛后熱處理控制

根據前期大量研究[22～23]，H13鋼中碳化物主要有M3C、M23C6、M7C3、M6C和MC等類型，決定這些碳化物是作為脆性相還是強化相，主要與碳化物顆粒的尺度與分布狀態相關。因此，鍛造的目的就是要利用鍛造變形擊碎鋼錠中碳化物枝晶，打破其偏析帶中的鏈狀分布模式，從而達到均勻組織、提升橫縱向沖擊性能，同時，消除鍛造應力來改善切削加工性能。為保障變形效果，目前業內均采用鍛比≥3，鐓拔兩次以上，同時為保障碳化物細化效果，可采用多向鍛造[24～25]。

在鍛造完成后應及時對鍛坯進行退火處理，及時消除鍛造應力，并改善鍛造組織，為最終熱處理做準備。前期研究表明，在退火工藝前加上一次正火超細化工藝[26]，保障冷卻速率，可有效改善鍛坯偏析和網狀碳化物，細化晶粒，并促使組織均勻化[24,27]。為避免氫脆引發后續模具產生斷裂，按照常規工藝，在退火工藝后可添加擴氫熱處理或回火處理。為保障組織細化及擴氫效果，節約能源，在超細化熱處理后采用“不完全奧氏體化階梯退火”控制工藝，即，利用不完全奧氏體化加熱控制，以及結合“階梯冷卻及控溫退火”來控制碳化物并細化組織，為后續最終熱處理做好工藝準備。

5 大規格H13模具鋼制備思路

5.1 技術路線

目前，大截面高品質H13模具鋼作為中國一重一項重要產品，為保障其高性能要求，中國一重正響應國家“雙碳”號召，全面升級相關制造裝備，做好基礎研究，并采用新工藝縮短生產流程，確保實現綠色制造。

目前，中國一重已開展直徑?1.3m級的大規格高端模具鋼研制，如圖5所示，本次研制主要解決P、S含量控制，N、H、O等氣體控制，以及夾雜物與碳化物控制等關鍵問題，并通過合理的冶煉、鍛造、熱處理等制造工藝控制，獲得均勻化組織及細小晶粒，提升綜合性能。中國一重大截面高品質H13鋼主要技術路線如圖6所示，即，“合金成分設計”→“潔凈鋼平臺控制”→“鑄造與鍛造控制”→“鍛后熱處理控制”，同時構建“材料應用基礎研究和集成計算材料技術研究”研發模式，打造中國一重“研—產—用”數據庫，有效串聯產品生命周期內各關鍵環節，有效評價與提升產品質量。

圖5 直徑?1.3m級H13模具鋼研制

圖6 大截面H13模具鋼技術路線圖

5.2 產品標準策劃

目前，國內模具鋼的生產技術指標主要采用GB/T1299-2014《工模具鋼》，通過該標準與客戶技術條件對比發現，此標準許多技術條件都已不滿足客戶需求。例如，標準中表28圓鋼及方鋼的低倍缺陷及其合格級別，對于鋼材直徑或邊長＞400mm時，鋼材的中心偏析與錠型偏析均采用“協議”模式，對于直徑尺寸大于?1m規格的高品質模具鋼，此技術參考存在較大模糊性，已遠遠不能滿足現在生產廠家及客戶的產品需求。可以理解的是，本標準是基于大宗量產品來進行定位制定的，但從技術的嚴謹性及推動整個行業發展而言，對于目前大截面高品質模具鋼產品，應該制定相關標準。因此，后續中國一重將與相關科研院校及國內知名企業等組成聯合創新體，形成“產學研用”一條龍合作體系，針對大規格高品質熱作模具鋼，制定合理的相關標準，以備行業作為技術參考，有效促進大規格高品質模具鋼的發展。

6 總結

隨著國內制造業的高速發展，其對大截面高品質H13模具鋼具有很高的要求與需求。目前受國內制造裝備、材料設計能力、工藝控制等條件制約，對于大截面高品質H13模具鋼還存在很多的質量問題亟需解決。綜合借鑒國內外大規格H13模具鋼應用案例及制造工藝，中國一重已開展直徑?1.3m級H13模具鋼研制，后續將構建中國一重研發新模式，打造中國一重高端產品數據庫，同時形成“產學研用”一條龍合作體系，制定合理的產品評價標準，以備行業作為技術參考，以期有效促進大規格高品質模具鋼發展。