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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鋼均有各自嚴格的標準,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)量滿足標準要求,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(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。