H13鋼是一種典型的熱作模具鋼,具有優(yōu)良的熱強性﹑塑韌性、抗氧化性及熱疲勞抗力,一般在400~600℃熱作場合下服役,適合制作各類熱作模具,如壓鑄模、熱擠壓模,高速錘鍛模等,也可用于強韌性要求高的塑料模具、冷作模具。H13鋼主要含鉻、鉬、釩等合金元素,與高韌性熱作模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo 相比,具有更高的熱強性、熱穩(wěn)定性和淬透性,可明顯提高模具的使用壽命。與高熱強性熱作模具鋼3Cr2w8V相比,H13鋼具有高塑韌性和抗熱沖擊性,因此可部分取代3Cr2w8V鋼來制造熱作模具。由于H13鋼良好的性價比,同時又有良好的工藝性能,目前已經(jīng)成為國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的熱作模具鋼之一。

我國于20世紀(jì)80年代引進了H13鋼,當(dāng)前國內(nèi)許多鋼廠都能生產(chǎn),但由于國內(nèi)傳統(tǒng)上對模具鋼質(zhì)量要求認(rèn)識的不足,以及相關(guān)模具鋼檢驗標(biāo)準(zhǔn)的滯后,國產(chǎn)H13鋼的質(zhì)量總是不盡如人意,尤其是大型鍛材,偏析比較嚴(yán)重,存在粗大共晶碳化物,二次網(wǎng)狀碳化物析出嚴(yán)重,鍛材心部較表面更為樂著。國內(nèi)傳統(tǒng)上對H13鋼的檢測項目主要是化學(xué)成分、酸浸低倍組織和退火硬度;而當(dāng)今歐美各國對H13鋼均有各自嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),如NADCA 207規(guī)定還須進行純凈度、超聲波、淬硬性、沖擊值以及晶粒度、退火組織、帶狀組織等的檢驗LD。

H13鋼生產(chǎn)過程中熱處理技術(shù)的應(yīng)用,將對鋼中碳化物的形態(tài)和分布、偏析、顯微組織均勻性及其力學(xué)性能均有重大影響,與冶煉﹑熱加工技術(shù)一樣，熱處理也是高品質(zhì)熱作模具鋼生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。為此,作者在H13鋼基礎(chǔ)上進行了高質(zhì)量壓鑄模用DT413熱作模具鋼的研發(fā)試制,并對其組織與性能進行了分析。

試樣制備與試驗方法

壓鑄模用H13熱作模具鋼傳統(tǒng)上用電爐＋電渣工藝生產(chǎn),但隨著模具長壽命要求的不斷提升,模具材料純凈化、等向性研究的發(fā)股,對熱作模具鋼妤純凈化冶煉、組織超細(xì)化處理已經(jīng)成為壓鑄模用熱作模具鋼的主流生產(chǎn)工藝。因此DT413鋼采用EAF+LF+VD+ESR工藝冶煉3 500 t鋼錠,快鍛成材規(guī)格為中400 mm,鍛后成品材進行超細(xì)化熱處理,其主要化學(xué)成分見表1。

沖擊韌性在ZBC-300型沖擊試驗機上進行;顯微組織采用LEICA DMRME光學(xué)顯微鏡觀察。

低倍組織

在鋼材的橫截面上一般都會存在疏松和偏析,因而降低了鋼的強度和韌性,也嚴(yán)重影響了加工后的表面粗糙度3]。為避免該問題的出現(xiàn),DT413鋼進行電渣重熔時,采用低熔速熔煉,鍛造時采用高溫擴散和鍛拔工藝,從而保證了鋼材低倍組織質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,DT413鋼低倍組織與普通H13電渣鋼對比結(jié)果見表2。

鋼中非金屬夾雜物在某種意義上可以看成是一定尺寸的裂紋,它破壞了金屬的連續(xù)性,引起應(yīng)力集中,在外界應(yīng)力的作用下,裂紋擴展后很容易導(dǎo)致模具失效。塑性夾雜物隨著鍛潺過程而延伸變形,致使鋼材產(chǎn)生各向異性,同時夾雜物在拋光過程中的剝落降低了模具的表面粗糙度[2。

為保證DT413鋼的純潔度,在冶煉時,采用高堿度渣,LF爐加強還原期操作,并保證脫氧良好;VD過程采用真空氬氣攪拌,并加強軟吹;保證電渣冶煉過程的造渣質(zhì)量,降低電渣重熔速度等。試制的DT413鋼中夾雜物檢驗結(jié)果見表3。

超細(xì)化處理后顯微組織

經(jīng)過高溫均勻化處理后的DT413鋼,雖然基本上消除了共晶碳化物,但經(jīng)過高溫階段的長時間保溫,容易在鍛后出現(xiàn)魏氏組織,粗大晶粒等組織缺陷。為降低大圓材開裂風(fēng)險,其鍛后一般采用較緩慢的速率冷卻,所以大圓材鍛后心部組織中二次碳化物會沿晶界析出形成碳化物鏈,嚴(yán)重時會形成網(wǎng)狀碳化物。上述這些缺陷采用一般的退火工藝很難消除。針對 DT413鋼的相變特點,相應(yīng)開發(fā)了專門的組織超細(xì)化熱處理工藝,以改善鍛后組織,提高該鋼種的組織、性能均勻性。

DT413鋼大圓材鍛后超細(xì)化處理通過重新奧氏體化和二次碳化物的溶解來提高組織均勻性,通常CrzC開始溶人奧氏體的溫度為900~1 000 ℃,但(Cr,Fe,Mo, V)2 C開始溶入奧氏體的溫度升高到1000~1020 ℃,通過合理的奧氏體化工藝參數(shù)的制定,即保證了二次碳化物的重溶,又使得鍛后組織得到了細(xì)化。在隨后的冷卻過程中,通過關(guān)鍵溫度區(qū)間冷卻速率的控制,基本抑制了二次碳化物沿晶界析出,并在隨后的熱處理工序中,使碳化物彌散均勻地分布在鐵素體上1,如圖1所示。

DT413鋼的超細(xì)化處理不僅為后面的模具機械加工做了組織準(zhǔn)備,也為模具獲得優(yōu)良的淬回火組織奠定了基礎(chǔ)。其作用類似于為提高熱作模具的強韌性而進行的預(yù)備熱處理3,對熱作模具鋼組織的改善和力學(xué)性能的提升具有相當(dāng)重要的影響。