大截面高品質(zhì)熱作模具鋼H13關(guān)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(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，部署中國全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，并作為第一個十年的行動綱領(lǐng)，對于鋼鐵業(yè)將帶來巨大的高端鋼鐵市場及巨大挑戰(zhàn)[1]。同時，中國“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出“雙碳”目標，因此，各企業(yè)必將順應(yīng)趨勢、把握機遇，加快構(gòu)建綠色產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，并向智能制造、綠色制造、服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變，迎接未來發(fā)展的曙光[2]。

隨著我國結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)調(diào)整，模具水平已成為衡量制造業(yè)發(fā)展水平的重要標準之一，各大特鋼鋼廠也在不斷產(chǎn)業(yè)升級，提高模具鋼產(chǎn)品質(zhì)量要求，從而來滿足日益增長的模具需求。但我國模具產(chǎn)業(yè)，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(zhì)模具，仍需要從國外進口，這也顯現(xiàn)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(yīng)用于高溫、高應(yīng)力等惡劣復(fù)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(zhì)模具鋼，受冶煉、鍛造、熱處理等處理工序的影響，對模具鋼產(chǎn)品質(zhì)量不易得到保障[4～5]。

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

2 大截面H13模具鋼應(yīng)用失效實例分析

H13作為強韌性、耐冷熱疲勞等性能優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)品采用120t電渣爐進行冶煉控制，經(jīng)多次鐓拔、退火及淬火熱處理后，在模具上端拐角處發(fā)生長條狀開裂，其起裂源位于拐角處，并分別向端面及內(nèi)壁擴展斷裂。經(jīng)后續(xù)分析，主要原因為模具鋼坯料內(nèi)部粗大夾雜物及表層脫碳在經(jīng)淬火熱處理后未能及時回火處理導(dǎo)致后續(xù)模具應(yīng)力不均，從而導(dǎo)致在模具拐角處開裂。另一公司生產(chǎn)的H13材質(zhì)的厚壁模具底盤則在大型核電鍛件擠壓過程中發(fā)生嚴重開裂，如圖2所示，為模具內(nèi)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(cè)擴展，其中，模具中心局部位置已被裂紋分裂形成多個“閉環(huán)”區(qū)域。本模具在使用前雖然已經(jīng)過200～300℃烘烤預(yù)熱，但在坯料變形中仍發(fā)生開裂。經(jīng)后續(xù)分析，仍為材料內(nèi)部質(zhì)量問題所導(dǎo)致的應(yīng)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(jīng)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(xiàn)龜裂、剝落等現(xiàn)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(dǎo)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(nèi)部的脆性夾雜物所造成的應(yīng)力集中，并最終導(dǎo)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(diào)質(zhì)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(zhì)量缺陷作為電渣冶煉的特點，而被應(yīng)用到大鍛件的制造中[8]。但對于大型電渣設(shè)備，若工藝控制不當，也會導(dǎo)致氣體超標、夾雜、偏析等質(zhì)量問題；同時，對于大截面電渣產(chǎn)品，隨著直徑尺寸的加大，受尺寸效應(yīng)的影響仍將重新出現(xiàn)偏析等現(xiàn)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(shè)計、冶煉、鍛造、熱處理等關(guān)鍵制備工藝有關(guān)。

表1 H13模具失效形式及失效原因

3 H13鋼合金成分優(yōu)化設(shè)計

關(guān)于H13模具鋼合金元素，主要包含C、Cr、Mn、Si、Mo、V等，前期相關(guān)資料已有研究[14～15]。為便于后續(xù)合金成分優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)將其各主要元素、作用、設(shè)計思路予以簡單總結(jié)，如表2所示。

表2 H13鋼合金元素及作用

關(guān)于對H13改進型設(shè)計，學(xué)界也有鮮明的研發(fā)方向。其中之一便是低Si高Mo設(shè)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(guān)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(jié)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(guān)改良的方法還在繼續(xù)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(zhuǎn)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(shè)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(xiàn)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(nèi)部碳的分配，從而影響奧氏體的穩(wěn)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(guī)范》中元素范圍有了較大幅度的調(diào)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(xù)產(chǎn)品的使用性能，因此，在進行合金元素設(shè)計時，應(yīng)重點對碳化物形成元素進行關(guān)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(xù)淬火性能及回火二次硬化的穩(wěn)定性。

4 關(guān)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(guān)文獻進行了研究[18～19]。兩種冶煉方式對H13性能有很大的區(qū)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(xù)淬、回火后未發(fā)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(shè)計后續(xù)大規(guī)格高品質(zhì)H13鋼的研發(fā)思路上，若采用電爐鋼，則需優(yōu)化冶煉參數(shù)，在保證其純凈度、致密性的同時，盡量減少液析碳化物的數(shù)量或細化液析碳化物，可采用“液固復(fù)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(zhì)量。同時，對于電渣鋼，在控制大塊碳化物的同時，還應(yīng)控制N、O元素含量，減少氧化物及氮化物對其質(zhì)量的影響[20～21]。

4.2 鍛造及鍛后熱處理控制

根據(jù)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(tài)相關(guān)。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(yīng)力來改善切削加工性能。為保障變形效果，目前業(yè)內(nèi)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(yīng)及時對鍛坯進行退火處理，及時消除鍛造應(yīng)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(wǎng)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(fā)后續(xù)模具產(chǎn)生斷裂，按照常規(guī)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(jié)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(jié)合“階梯冷卻及控溫退火”來控制碳化物并細化組織，為后續(xù)最終熱處理做好工藝準備。

5 大規(guī)格H13模具鋼制備思路

5.1 技術(shù)路線

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

目前，中國一重已開展直徑?1.3m級的大規(guī)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(guān)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(zhì)H13鋼主要技術(shù)路線如圖6所示，即，“合金成分設(shè)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(gòu)建“材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究和集成計算材料技術(shù)研究”研發(fā)模式，打造中國一重“研—產(chǎn)—用”數(shù)據(jù)庫，有效串聯(lián)產(chǎn)品生命周期內(nèi)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效評價與提升產(chǎn)品質(zhì)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(shù)路線圖

5.2 產(chǎn)品標準策劃

目前，國內(nèi)模具鋼的生產(chǎn)技術(shù)指標主要采用GB/T1299-2014《工模具鋼》，通過該標準與客戶技術(shù)條件對比發(fā)現(xiàn)，此標準許多技術(shù)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(xié)議”模式，對于直徑尺寸大于?1m規(guī)格的高品質(zhì)模具鋼，此技術(shù)參考存在較大模糊性，已遠遠不能滿足現(xiàn)在生產(chǎn)廠家及客戶的產(chǎn)品需求。可以理解的是，本標準是基于大宗量產(chǎn)品來進行定位制定的，但從技術(shù)的嚴謹性及推動整個行業(yè)發(fā)展而言，對于目前大截面高品質(zhì)模具鋼產(chǎn)品，應(yīng)該制定相關(guān)標準。因此，后續(xù)中國一重將與相關(guān)科研院校及國內(nèi)知名企業(yè)等組成聯(lián)合創(chuàng)新體，形成“產(chǎn)學(xué)研用”一條龍合作體系，針對大規(guī)格高品質(zhì)熱作模具鋼，制定合理的相關(guān)標準，以備行業(yè)作為技術(shù)參考，有效促進大規(guī)格高品質(zhì)模具鋼的發(fā)展。

6 總結(jié)

隨著國內(nèi)制造業(yè)的高速發(fā)展，其對大截面高品質(zhì)H13模具鋼具有很高的要求與需求。目前受國內(nèi)制造裝備、材料設(shè)計能力、工藝控制等條件制約，對于大截面高品質(zhì)H13模具鋼還存在很多的質(zhì)量問題亟需解決。綜合借鑒國內(nèi)外大規(guī)格H13模具鋼應(yīng)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(xù)將構(gòu)建中國一重研發(fā)新模式，打造中國一重高端產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，同時形成“產(chǎn)學(xué)研用”一條龍合作體系，制定合理的產(chǎn)品評價標準，以備行業(yè)作為技術(shù)參考，以期有效促進大規(guī)格高品質(zhì)模具鋼發(fā)展。