H13钢是一种典型的热作模具钢,具有优良的热强性﹑塑韧性、抗氧化性及热疲劳抗力,一般在400~600℃热作场合下服役,适合制作各类热作模具,如压铸模、热挤压模,高速锤锻模等,也可用于强韧性要求高的塑料模具、冷作模具。H13钢主要含铬、钼、钒等合金元素,与高韧性热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo 相比,具有更高的热强性、热稳定性和淬透性,可明显提高模具的使用寿命。与高热强性热作模具钢3Cr2w8V相比,H13钢具有高塑韧性和抗热冲击性,因此可部分取代3Cr2w8V钢来制造热作模具。由于H13钢良好的性价比,同时又有良好的工艺性能,目前已经成为国内外应用广泛的热作模具钢之一。

我国于20世纪80年代引进了H13钢,当前国内许多钢厂都能生产,但由于国内传统上对模具钢质量要求认识的不足,以及相关模具钢检验标准的滞后,国产H13钢的质量总是不尽如人意,尤其是大型锻材,偏析比较严重,存在粗大共晶碳化物,二次网状碳化物析出严重,锻材心部较表面更为乐着。国内传统上对H13钢的检测项目主要是化学成分、酸浸低倍组织和退火硬度;而当今欧美各国对H13钢均有各自严格的标准,如NADCA 207规定还须进行纯净度、超声波、淬硬性、冲击值以及晶粒度、退火组织、带状组织等的检验LD。

H13钢生产过程中热处理技术的应用,将对钢中碳化物的形态和分布、偏析、显微组织均匀性及其力学性能均有重大影响,与冶炼﹑热加工技术一样，热处理也是高品质热作模具钢生产中的重要环节。为此,作者在H13钢基础上进行了高质量压铸模用DT413热作模具钢的研发试制,并对其组织与性能进行了分析。

试样制备与试验方法

压铸模用H13热作模具钢传统上用电炉＋电渣工艺生产,但随着模具长寿命要求的不断提升,模具材料纯净化、等向性研究的发股,对热作模具钢妤纯净化冶炼、组织超细化处理已经成为压铸模用热作模具钢的主流生产工艺。因此DT413钢采用EAF+LF+VD+ESR工艺冶炼3 500 t钢锭,快锻成材规格为中400 mm,锻后成品材进行超细化热处理,其主要化学成分见表1。

冲击韧性在ZBC-300型冲击试验机上进行;显微组织采用LEICA DMRME光学显微镜观察。

低倍组织

在钢材的横截面上一般都会存在疏松和偏析,因而降低了钢的强度和韧性,也严重影响了加工后的表面粗糙度3]。为避免该问题的出现,DT413钢进行电渣重熔时,采用低熔速熔炼,锻造时采用高温扩散和锻拔工艺,从而保证了钢材低倍组织质量满足标准要求,DT413钢低倍组织与普通H13电渣钢对比结果见表2。

钢中非金属夹杂物在某种意义上可以看成是一定尺寸的裂纹,它破坏了金属的连续性,引起应力集中,在外界应力的作用下,裂纹扩展后很容易导致模具失效。塑性夹杂物随着锻潺过程而延伸变形,致使钢材产生各向异性,同时夹杂物在抛光过程中的剥落降低了模具的表面粗糙度[2。

为保证DT413钢的纯洁度,在冶炼时,采用高碱度渣,LF炉加强还原期操作,并保证脱氧良好;VD过程采用真空氩气搅拌,并加强软吹;保证电渣冶炼过程的造渣质量,降低电渣重熔速度等。试制的DT413钢中夹杂物检验结果见表3。

超细化处理后显微组织

经过高温均匀化处理后的DT413钢,虽然基本上消除了共晶碳化物,但经过高温阶段的长时间保温,容易在锻后出现魏氏组织,粗大晶粒等组织缺陷。为降低大圆材开裂风险,其锻后一般采用较缓慢的速率冷却,所以大圆材锻后心部组织中二次碳化物会沿晶界析出形成碳化物链,严重时会形成网状碳化物。上述这些缺陷采用一般的退火工艺很难消除。针对 DT413钢的相变特点,相应开发了专门的组织超细化热处理工艺,以改善锻后组织,提高该钢种的组织、性能均匀性。

DT413钢大圆材锻后超细化处理通过重新奥氏体化和二次碳化物的溶解来提高组织均匀性,通常CrzC开始溶人奥氏体的温度为900~1 000 ℃,但(Cr,Fe,Mo, V)2 C开始溶入奥氏体的温度升高到1000~1020 ℃,通过合理的奥氏体化工艺参数的制定,即保证了二次碳化物的重溶,又使得锻后组织得到了细化。在随后的冷却过程中,通过关键温度区间冷却速率的控制,基本抑制了二次碳化物沿晶界析出,并在随后的热处理工序中,使碳化物弥散均匀地分布在铁素体上1,如图1所示。

DT413钢的超细化处理不仅为后面的模具机械加工做了组织准备,也为模具获得优良的淬回火组织奠定了基础。其作用类似于为提高热作模具的强韧性而进行的预备热处理3,对热作模具钢组织的改善和力学性能的提升具有相当重要的影响。