兩種熱作模具H13鋼組織和性能研究

馬 野，劉寶石，牟 風，祝仁龍

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113000）

1 引言

隨著中國2001年加入WTO以及機械制造業的發展，中國的模具工業得到了迅速發展，從而也推動了模具鋼的發展。模具生產技術水平的高低，已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，因為模具質量在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發能力，模具更成為工業生產的基礎工藝裝備。與此同時，在模具工業迅猛發展的高要求下，對模具材料的性能和使用壽命等提出了更高的要求。

在整個模具工業中，熱作模具占有重要的地位，以壓鑄模為例，壓鑄作為一種金屬零件接近最后形狀尺寸的精密成形工藝，在高速發展的汽車、機械、電子等重要產業中占有舉足輕重的地位，需求量與日俱增。我國每年需要壓鑄模具數十萬噸，價值數十億元。汽車輕量化就要大量采用鋁合金、鎂合金壓鑄件。每個國家都是汽車制造業驅動壓鑄行業，中國汽車業使用壓鑄件約占65%以上的市場份額，在日本等發達國家達到80%以上。

2 熱作模具鋼

熱作模具鋼主要用于制造對高溫狀態的金屬或液態金屬壓制成工件的模具，該過程要將金屬或液態金屬加熱到再結晶溫度以下，因此與其它類型的模具鋼如冷作模具鋼、塑料模具鋼的使用性能有較大差異。熱作模具鋼含碳量一般為0.3%～0.6%，添加提高高溫性能的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，可分為鉻鉬系熱作模具鋼和鉻鎢系熱作模具鋼等。我國在20世紀80年代初引進由美國開發的國外通用鉻鉬系熱作模具鋼H13（我國鋼號為4Cr5MoSiV1），該鋼以其高的淬透性、淬硬性、強韌性和熱疲勞抗力在國內外得到廣泛的應用，應用于制作熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模和塑料模等，是當前世界范圍內使用最廣泛的熱作模 具鋼。

隨著模具技術的發展，對模具鋼的質量性能提出更高要求。早在20世紀80年代，國外模具鋼的先進生產企業，開始進行高等向性H13鋼的研制和生產，首先奧地利BOHLER提出，通過超純凈冶煉技術、均質化技術及超細化處理大大提高了H13鋼的等向性，從而使模具的使用壽命大幅度提高。之后日本大同特殊鋼、日立、高周波，瑞典UDDEHOLM等均推出高級優質H13鋼，走在了世界前列。撫順特鋼發展了高級優質H13鋼；瑞典發展了高級優質H13鋼（一勝百的8407鋼），成為優秀品牌的熱作模具鋼。

瑞典一勝百8407鋼屬熱作模具鋼，屬于鉻、鉬、釩合金工具鋼，該鋼組織結構均勻，高純凈度具有高韌性和高等向性，適用于≤600℃工作的金屬壓鑄模、擠壓模等。

3 試驗方案

本文進行兩種國內外相似規格的高級優質熱作模具H13鋼的質量對比分析研究，涉及的鋼種有撫順特鋼生產的H13鋼，瑞典一勝百的8407鋼。本文中用于研究的撫順特鋼H13鋼，鍛造扁鋼規格為350×600mm。生產工藝流程為：真空精煉→電渣重熔→大型快鍛機鍛造成材→鋼材熱處理。用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規格為350×650mm。

試驗對撫順特鋼生產的高級優質熱作模具H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，按照北美壓鑄模協會NADCA#207-2008標準進行化學成分、帶狀偏析、退火組織和沖擊韌性進行對比分析。

4 試驗結果及討論

4.1 化學成分

本文中用于研究的撫順特鋼高級優質H13鋼，鍛造扁鋼規格為350×600mm。試驗的高級優質H13鋼鍛造扁鋼的化學成分如表1所示。

表1 H13鋼350×600mm鍛造扁鋼的化學成分 %

本文中用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規格為350×650mm。試驗的8407鋼鍛造扁鋼的化學成分見表2所示。

表2 8407鋼350×650mm鍛造扁鋼的化學成分 %

從表1和表2可以看出，兩種試驗鋼成分符合NADCA#207-2008標準，不同鋼種的成分特點是：撫順特鋼高級優質H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。與鋼材潔凈度相關的S、P及氣體含量兩種對比材料也存在差異，主要為：①瑞典一勝百8407鋼的P含量0.008%高于撫順特鋼高級優質H13鋼，氧含量0.0010%低于撫順特鋼高級優質H13鋼；②撫順特鋼高級優質H13鋼P含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

4.2 帶狀偏析

帶狀偏析是影響熱作模具鋼內在質量的主要因素之一，因此對比鋼的帶狀偏析組織的差異具有重要意義。鋼的凝固過程中合金元素和碳的富集形成的枝晶偏析在熱變形被拉長，形成合金元素和碳的富集條帶，退火過程中形成顆粒尺寸不一，碳化物偏聚的條帶，試樣縱向腐蝕后可見條帶狀偏析。本試驗根據對比材料的尺寸規格特點，按NADCA標準要求，選取材料心部、1/4D和邊部帶狀組織進行對比分析，如圖1所示。

圖1 對比實驗鋼的帶狀偏析組織（50×）

根據金相組織觀察，從圖1中可以看出，按NADCA#207-2008標準圖譜，撫順特鋼高級優質H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼帶狀偏析組織符合可接受標準要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優于撫順特鋼高級優質H13鋼。

4.3 退火組織

退火顯微組織是評價H13類鋼質量好壞的關鍵依據之一，北美壓鑄模協會NADCA#207-2008優質鋼標準中H13鋼的退火顯微組織合格級別為AS1-AS9合格。良好的退火顯微組織在淬火組織中可以獲得良好的馬氏體組織，可加寬模具的淬火溫度范圍，縮小過熱敏感性，減少模具變形和防止淬火冷卻裂紋的產生，因此均勻球狀珠光體組織既球化組織，對熱作模具的最終熱處理和使用有著極為重要的意義。本試驗根據對比材料的尺寸規格特點，按NADCA標準要求，選取材料心部、1/4D和邊部退火組織進行對比分析，如圖2所示。

圖2 對比實驗鋼的退火組織（500×）

從圖2中可以看出，撫順特鋼高級優質H13鋼退火顯微組織級別，材料心部、1/4D和邊部評級為AS4、AS3和AS3，瑞典一勝百的8407鋼退火顯微組織級別，材料心部、1/4D和邊部評級為AS3、AS3和AS3，兩種試驗鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級別基本均勻一致。

兩種試驗鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級優質H13鋼退火組織中，心部可見少量網狀碳化物。

4.4 沖擊韌性

沖擊韌性尤其是橫向沖擊韌性在熱作模具鋼中是非常重要的力學性能之一，被作為是NADCA#207-2008標準中關鍵的評級指標。因為熱作模具在工作過程中需要承受一定的沖擊載荷，為了保證模具不產生開裂和變形，則需要保持較高的沖擊韌性和斷裂韌性。在大截面或含鉬鎢元素高的熱作模具中，淬火組織中易出現脆的中間轉變產物導致熱脆。通過合理的成分設計、合理的熱處理工藝及組織分布，可以提高材料的韌性。對于熱作模具鋼來說，根據使用性能的要求，合理的韌性和強度的匹配，才能最大限度地提高熱作模具的使用壽命。

撫順特鋼高級優質H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼沖擊試樣取自扁鋼橫向截面中心、1/4D和邊部。按NADCA標準，采用的熱處理制度淬火溫度1,030℃，回火溫度600℃，沖擊試樣的熱處理硬度調整到44～46HRC，處理沖擊試樣尺寸為V型缺口10×10×55mm沖擊試樣，檢測沖擊性能，采用M5C030G3型硬度計、ZBC-300型沖擊試驗機檢測試樣硬度和沖擊。

對撫順特鋼高級優質H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊性能進行試驗，表3為橫向沖擊性能檢驗結果對比。

表3 試驗鋼的橫向沖擊功及回火硬度

試驗鋼不同位置的橫向沖擊韌性功對比見表3，使用夏比V形缺口試樣進行的5個沖擊試驗，去掉一個最大值和一個最小值，試驗結果取其余3個的平均值。試驗結果：瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達到NADCA標準高級優質H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級優質H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達到NADCA標準高級優質H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。

5 結論

（1）兩種試驗鋼成分符合NADCA#207標準，不同鋼種的成分特點是：撫順特鋼高級優質H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。撫順特鋼高級優質H13鋼P含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

（2）按NADCA#207標準圖譜，撫順特鋼高級優質H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，帶狀偏析組織符合可接受標準要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優于撫順特鋼高級優質H13鋼。

（3）按NADCA#207標準圖譜，撫順特鋼高級優質H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，退火顯微組織符合標準要求，兩種試驗鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級別基本均勻一致。兩種試驗鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級優質H13鋼退火組織中，心部可見少量網狀碳化物。

（4）瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達到NADCA標準高級優質H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級優質H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達到NADCA標準高級優質H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。