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(chǎng)合下服役,適合制作各類(lèi)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(lái)制造熱作模具。由于H13鋼良好的性?xún)r(jià)比,同時(shí)又有良好的工藝性能,目前已經(jīng)成為國內外應用廣泛的熱作模具鋼之一。

我國于20世紀80年代引進(jìn)了H13鋼,當前國內許多鋼廠(chǎng)都能生產(chǎn),但由于國內傳統上對模具鋼質(zhì)量要求認識的不足,以及相關(guān)模具鋼檢驗標準的滯后,國產(chǎn)H13鋼的質(zhì)量總是不盡如人意,尤其是大型鍛材,偏析比較嚴重,存在粗大共晶碳化物,二次網(wǎng)狀碳化物析出嚴重,鍛材心部較表面更為樂(lè )著(zhù)。國內傳統上對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;而當今歐美各國對H13鋼均有各自嚴格的標準,如NADCA 207規定還須進(jìn)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(guò)程中熱處理技術(shù)的應用,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。為此,作者在H13鋼基礎上進(jìn)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(jìn)行了分析。

試樣制備與試驗方法

壓鑄模用H13熱作模具鋼傳統上用電爐＋電渣工藝生產(chǎn),但隨著(zhù)模具長(cháng)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,快鍛成材規格為中400 mm,鍛后成品材進(jìn)行超細化熱處理,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

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

低倍組織

在鋼材的橫截面上一般都會(huì )存在疏松和偏析,因而降低了鋼的強度和韌性,也嚴重影響了加工后的表面粗糙度3]。為避免該問(wèn)題的出現,DT413鋼進(jìn)行電渣重熔時(shí),采用低熔速熔煉,鍛造時(shí)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(mǎn)足標準要求,DT413鋼低倍組織與普通H13電渣鋼對比結果見(jiàn)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性,引起應力集中,在外界應力的作用下,裂紋擴展后很容易導致模具失效。塑性?shī)A雜物隨著(zhù)鍛潺過(guò)程而延伸變形,致使鋼材產(chǎn)生各向異性,同時(shí)夾雜物在拋光過(guò)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(shí),采用高堿度渣,LF爐加強還原期操作,并保證脫氧良好;VD過(guò)程采用真空氬氣攪拌,并加強軟吹;保證電渣冶煉過(guò)程的造渣質(zhì)量,降低電渣重熔速度等。試制的DT413鋼中夾雜物檢驗結果見(jiàn)表3。

超細化處理后顯微組織

經(jīng)過(guò)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(guò)高溫階段的長(cháng)時(shí)間保溫,容易在鍛后出現魏氏組織,粗大晶粒等組織缺陷。為降低大圓材開(kāi)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(huì )沿晶界析出形成碳化物鏈,嚴重時(shí)會(huì )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(diǎn),相應開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的組織超細化熱處理工藝,以改善鍛后組織,提高該鋼種的組織、性能均勻性。

DT413鋼大圓材鍛后超細化處理通過(guò)重新奧氏體化和二次碳化物的溶解來(lái)提高組織均勻性,通常CrzC開(kāi)始溶人奧氏體的溫度為900~1 000 ℃,但(Cr,Fe,Mo, V)2 C開(kāi)始溶入奧氏體的溫度升高到1000~1020 ℃,通過(guò)合理的奧氏體化工藝參數的制定,即保證了二次碳化物的重溶,又使得鍛后組織得到了細化。在隨后的冷卻過(guò)程中,通過(guò)關(guān)鍵溫度區間冷卻速率的控制,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鋼的超細化處理不僅為后面的模具機械加工做了組織準備,也為模具獲得優(yōu)良的淬回火組織奠定了基礎。其作用類(lèi)似于為提高熱作模具的強韌性而進(jìn)行的預備熱處理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重要的影響。