馬 野，劉寶石，牟 風(fēng)，祝仁龍

（撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113000）

1 引言

隨著中國(guó)2001年加入WTO以及機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，中國(guó)的模具工業(yè)得到了迅速發(fā)展，從而也推動(dòng)了模具鋼的發(fā)展。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因?yàn)槟＞哔|(zhì)量在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，模具更成為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備。與此同時(shí)，在模具工業(yè)迅猛發(fā)展的高要求下，對(duì)模具材料的性能和使用壽命等提出了更高的要求。

在整個(gè)模具工業(yè)中，熱作模具占有重要的地位，以壓鑄模為例，壓鑄作為一種金屬零件接近最后形狀尺寸的精密成形工藝，在高速發(fā)展的汽車、機(jī)械、電子等重要產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，需求量與日俱增。我國(guó)每年需要壓鑄模具數(shù)十萬(wàn)噸，價(jià)值數(shù)十億元。汽車輕量化就要大量采用鋁合金、鎂合金壓鑄件。每個(gè)國(guó)家都是汽車制造業(yè)驅(qū)動(dòng)壓鑄行業(yè)，中國(guó)汽車業(yè)使用壓鑄件約占65%以上的市場(chǎng)份額，在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)到80%以上。

2 熱作模具鋼

熱作模具鋼主要用于制造對(duì)高溫狀態(tài)的金屬或液態(tài)金屬壓制成工件的模具，該過(guò)程要將金屬或液態(tài)金屬加熱到再結(jié)晶溫度以下，因此與其它類型的模具鋼如冷作模具鋼、塑料模具鋼的使用性能有較大差異。熱作模具鋼含碳量一般為0.3%～0.6%，添加提高高溫性能的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，可分為鉻鉬系熱作模具鋼和鉻鎢系熱作模具鋼等。我國(guó)在20世紀(jì)80年代初引進(jìn)由美國(guó)開(kāi)發(fā)的國(guó)外通用鉻鉬系熱作模具鋼H13（我國(guó)鋼號(hào)為4Cr5MoSiV1），該鋼以其高的淬透性、淬硬性、強(qiáng)韌性和熱疲勞抗力在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用于制作熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模和塑料模等，是當(dāng)前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的熱作模 具鋼。

隨著模具技術(shù)的發(fā)展，對(duì)模具鋼的質(zhì)量性能提出更高要求。早在20世紀(jì)80年代，國(guó)外模具鋼的先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)，開(kāi)始進(jìn)行高等向性H13鋼的研制和生產(chǎn)，首先奧地利BOHLER提出，通過(guò)超純凈冶煉技術(shù)、均質(zhì)化技術(shù)及超細(xì)化處理大大提高了H13鋼的等向性，從而使模具的使用壽命大幅度提高。之后日本大同特殊鋼、日立、高周波，瑞典UDDEHOLM等均推出高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，走在了世界前列。撫順特鋼發(fā)展了高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼；瑞典發(fā)展了高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼（一勝百的8407鋼），成為優(yōu)秀品牌的熱作模具鋼。

瑞典一勝百8407鋼屬熱作模具鋼，屬于鉻、鉬、釩合金工具鋼，該鋼組織結(jié)構(gòu)均勻，高純凈度具有高韌性和高等向性，適用于≤600℃工作的金屬壓鑄模、擠壓模等。

3 試驗(yàn)方案

本文進(jìn)行兩種國(guó)內(nèi)外相似規(guī)格的高級(jí)優(yōu)質(zhì)熱作模具H13鋼的質(zhì)量對(duì)比分析研究，涉及的鋼種有撫順特鋼生產(chǎn)的H13鋼，瑞典一勝百的8407鋼。本文中用于研究的撫順特鋼H13鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×600mm。生產(chǎn)工藝流程為：真空精煉→電渣重熔→大型快鍛機(jī)鍛造成材→鋼材熱處理。用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×650mm。

試驗(yàn)對(duì)撫順特鋼生產(chǎn)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)熱作模具H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，按照北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分、帶狀偏析、退火組織和沖擊韌性進(jìn)行對(duì)比分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 化學(xué)成分

本文中用于研究的撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×600mm。試驗(yàn)的高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼鍛造扁鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 H13鋼350×600mm鍛造扁鋼的化學(xué)成分 %

本文中用于研究的瑞典一勝百的8407鋼，鍛造扁鋼規(guī)格為350×650mm。試驗(yàn)的8407鋼鍛造扁鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表2所示。

表2 8407鋼350×650mm鍛造扁鋼的化學(xué)成分 %

從表1和表2可以看出，兩種試驗(yàn)鋼成分符合NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)，不同鋼種的成分特點(diǎn)是：撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。與鋼材潔凈度相關(guān)的S、P及氣體含量?jī)煞N對(duì)比材料也存在差異，主要為：①瑞典一勝百8407鋼的P含量0.008%高于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼，氧含量0.0010%低于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼；②撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼P(yáng)含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

4.2 帶狀偏析

帶狀偏析是影響熱作模具鋼內(nèi)在質(zhì)量的主要因素之一，因此對(duì)比鋼的帶狀偏析組織的差異具有重要意義。鋼的凝固過(guò)程中合金元素和碳的富集形成的枝晶偏析在熱變形被拉長(zhǎng)，形成合金元素和碳的富集條帶，退火過(guò)程中形成顆粒尺寸不一，碳化物偏聚的條帶，試樣縱向腐蝕后可見(jiàn)條帶狀偏析。本試驗(yàn)根據(jù)對(duì)比材料的尺寸規(guī)格特點(diǎn)，按NADCA標(biāo)準(zhǔn)要求，選取材料心部、1/4D和邊部帶狀組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)鋼的帶狀偏析組織（50×）

根據(jù)金相組織觀察，從圖1中可以看出，按NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼帶狀偏析組織符合可接受標(biāo)準(zhǔn)要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優(yōu)于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼。

4.3 退火組織

退火顯微組織是評(píng)價(jià)H13類鋼質(zhì)量好壞的關(guān)鍵依據(jù)之一，北美壓鑄模協(xié)會(huì)NADCA#207-2008優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)中H13鋼的退火顯微組織合格級(jí)別為AS1-AS9合格。良好的退火顯微組織在淬火組織中可以獲得良好的馬氏體組織，可加寬模具的淬火溫度范圍，縮小過(guò)熱敏感性，減少模具變形和防止淬火冷卻裂紋的產(chǎn)生，因此均勻球狀珠光體組織既球化組織，對(duì)熱作模具的最終熱處理和使用有著極為重要的意義。本試驗(yàn)根據(jù)對(duì)比材料的尺寸規(guī)格特點(diǎn)，按NADCA標(biāo)準(zhǔn)要求，選取材料心部、1/4D和邊部退火組織進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)鋼的退火組織（500×）

從圖2中可以看出，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火顯微組織級(jí)別，材料心部、1/4D和邊部評(píng)級(jí)為AS4、AS3和AS3，瑞典一勝百的8407鋼退火顯微組織級(jí)別，材料心部、1/4D和邊部評(píng)級(jí)為AS3、AS3和AS3，兩種試驗(yàn)鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級(jí)別基本均勻一致。

兩種試驗(yàn)鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見(jiàn)輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火組織中，心部可見(jiàn)少量網(wǎng)狀碳化物。

4.4 沖擊韌性

沖擊韌性尤其是橫向沖擊韌性在熱作模具鋼中是非常重要的力學(xué)性能之一，被作為是NADCA#207-2008標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵的評(píng)級(jí)指標(biāo)。因?yàn)闊嶙髂＞咴诠ぷ鬟^(guò)程中需要承受一定的沖擊載荷，為了保證模具不產(chǎn)生開(kāi)裂和變形，則需要保持較高的沖擊韌性和斷裂韌性。在大截面或含鉬鎢元素高的熱作模具中，淬火組織中易出現(xiàn)脆的中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物導(dǎo)致熱脆。通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)、合理的熱處理工藝及組織分布，可以提高材料的韌性。對(duì)于熱作模具鋼來(lái)說(shuō)，根據(jù)使用性能的要求，合理的韌性和強(qiáng)度的匹配，才能最大限度地提高熱作模具的使用壽命。

撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼沖擊試樣取自扁鋼橫向截面中心、1/4D和邊部。按NADCA標(biāo)準(zhǔn)，采用的熱處理制度淬火溫度1,030℃，回火溫度600℃，沖擊試樣的熱處理硬度調(diào)整到44～46HRC，處理沖擊試樣尺寸為V型缺口10×10×55mm沖擊試樣，檢測(cè)沖擊性能，采用M5C030G3型硬度計(jì)、ZBC-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣硬度和沖擊。

對(duì)撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)，表3為橫向沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表3 試驗(yàn)鋼的橫向沖擊功及回火硬度

試驗(yàn)鋼不同位置的橫向沖擊韌性功對(duì)比見(jiàn)表3，使用夏比V形缺口試樣進(jìn)行的5個(gè)沖擊試驗(yàn)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，試驗(yàn)結(jié)果取其余3個(gè)的平均值。試驗(yàn)結(jié)果：瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。

5 結(jié)論

（1）兩種試驗(yàn)鋼成分符合NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)，不同鋼種的成分特點(diǎn)是：撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼的Cr和V元素含量略高于瑞典一勝百的8407鋼。撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼P(yáng)含量在0.005%低于瑞典一勝百8407鋼，氮含量115ppm低于瑞典一勝百8407鋼，氧含量18ppm高于瑞典一勝百8407鋼。

（2）按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，帶狀偏析組織符合可接受標(biāo)準(zhǔn)要求，瑞典一勝百的8407鋼的帶狀偏析略優(yōu)于撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼。

（3）按NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)圖譜，撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼和瑞典一勝百的8407鋼，退火顯微組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種試驗(yàn)鋼的退火組織良好，碳化物分布均勻彌散，鋼材心部、1/4 D和邊部退火組織級(jí)別基本均勻一致。兩種試驗(yàn)鋼存在的差異主要為：瑞典一勝百的8407鋼退火組織中，心部可見(jiàn)輕微碳化物偏析；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火組織中，心部可見(jiàn)少量網(wǎng)狀碳化物。

（4）瑞典一勝百的8407鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異不大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求；撫順特鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼橫向沖擊功心部、1/4D和邊部差異較大，基本達(dá)到NADCA標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)優(yōu)質(zhì)H13鋼沖擊功要求，心部和1/4D橫向沖擊功均低于瑞典一勝百的8407鋼，但邊部高于瑞典一勝百的8407鋼。