王維寧 趙學(xué)文 趙凱兵

(1.齊齊哈爾理工職業(yè)學(xué)院，黑龍江161042；2.中國一重集團有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江160142)

H13熱作模具鋼是目前應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼的典型鋼種之一，主要用于鋁合金壓鑄模、熱鍛壓模和熱擠壓模。H13鋼對應(yīng)國產(chǎn)牌號為4Cr5MoSiV1。H13鋼中含有大量的Cr、Mo、V等合金元素，具有高熱強性、耐熱性和淬透性[1]。H13鋼的球化組織級別是評價H13鋼質(zhì)量等級的主要指標，標準SEP 1614：1996和NADCA 207：2003是評價組織的重要參考依據(jù)，通過比對實際組織與評級標準圖譜來判斷組織優(yōu)劣程度，良好的退火組織也是獲得H13鋼高韌性的必要條件，而熱處理工藝參數(shù)是決定組織與性能的關(guān)鍵因素。

隨鍛件直徑增大，獲得優(yōu)良組織的難度也隨之增加。為鞏固和擴大H13熱作模具鋼的市場，對最大直徑?1000 mm電渣重熔熱作模具鋼H13鍛件進行生產(chǎn)試制，根據(jù)試制結(jié)果，制定的系列熱處理模擬試驗確定了保證組織級別的熱處理優(yōu)化工藝方案，消除了碳化物偏析，細化和均勻了碳化物進而提高了組織級別。

1 技術(shù)要求

1.1 交貨方式

球化退火狀態(tài)交貨。

1.2 化學(xué)成分

化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions(mass fraction,%)

1.3 冶煉方法

電爐+真空精煉+電渣重熔。

1.4 鍛造

鍛造采用鐓粗+拔長工藝，鐓粗比≥2，總鍛比≥6。

1.5 硬度

球化退火硬度要求≤228HBW，同一根鋼棒不同部位的硬度偏差不得大于30HBW。

1.6 顯微組織

在棒材心部取樣，500倍下檢驗退火顯微組織，按SEP 1614:1996標準評級圖進行評定，GA1、GA2、GA3、GA4、GB1、GB2、GB3、GB4、GC1、GC2、GD1為合格級別。

1.7 晶粒度

試樣在保護性介質(zhì)中經(jīng)1030℃±10℃，保溫30 min，然后快冷淬火，≥590℃回火。晶粒度合格級別按GB/T 6394—2017標準評級≥7級。

1.8 橫向沖擊試驗

鋼材應(yīng)檢驗心部橫向沖擊，采用7 mm×10 mm×55 mm的無缺口試樣。試樣尺寸偏差7 mm±0.100 mm、10 mm±0.100 mm、55 mm±1.00 mm。試樣經(jīng)1030℃保溫30 min，油冷，至少回火兩次，保證硬度45HRC±2HRC。心部橫向無缺口沖擊吸收能量按一組三個試樣取平均值計算，沖擊吸收能量平均值≥220 J，并允許其中一個試樣單個最小值≥170 J。

2 熱處理試制過程及結(jié)果分析

2.1 熱處理試制工藝

圖2 試制的顯微組織Figure 2 Microstructure of trial production

公司首次制造H13電渣重熔熱作模具鋼，無可借鑒的經(jīng)驗，試制工藝按公司現(xiàn)有熱處理規(guī)范執(zhí)行，見圖1。

圖1 熱處理試制工藝Figure 1 Trial production process of heat treatment

2.2 試制結(jié)果

試制結(jié)果見表2。

表2 試制結(jié)果及判定Table 2 Trial-production results and judgment

2.3 試制結(jié)果分析

熱處理試制后硬度、晶粒度和沖擊吸收能量均合格，而顯微組織GC4級不合格，說明熱處理試制工藝滿足不了H13鋼的技術(shù)要求。組織不合格主要表現(xiàn)在局部顯微組織存在網(wǎng)狀碳化物、帶狀碳化物和鏈狀碳化物以及碳化物大小和形態(tài)分布不均勻。網(wǎng)狀、帶狀及鏈狀碳化物通常能夠遺傳到鋼的球化和回火狀態(tài)中，對鍛件的心部橫向沖擊韌性會造成影響，其產(chǎn)生的主要原因是未對等溫退火前的組織進行預(yù)處理，不均勻的鍛后組織保留了下來[2]。碳化物分布不均的主要原因是球化工藝參數(shù)不合理造成的。

3 優(yōu)化熱處理工藝方案

3.1 成分內(nèi)控方案

H13鋼是一種空冷硬化熱作模具鋼，含有大量的Cr、Mo、V等元素，屬于過共析鋼。根據(jù)各元素對H13鋼性能的影響制定成分內(nèi)控方案(見表3)，C控制在中限，Si、Mn控制在中上限，P≤0.010%、S≤0.003%，較低的P、S含量可改善橫向沖擊性能，Cr、Mo在中上限，V中下限，用于控制鋼的韌性和偏析水平，另外采用電渣重熔的生產(chǎn)方式對控制H13鋼純凈度、組織均勻性等具有很重要的作用，是生產(chǎn)高品質(zhì)H13的重要環(huán)節(jié)。

3.2 熱處理工藝方案制定

為制定出合理的H13鋼鍛后熱處理工藝，根據(jù)H13鋼相變點及轉(zhuǎn)變曲線制定出多組熱處理工藝模擬參數(shù)，并根據(jù)模擬結(jié)果制定出優(yōu)化的熱處理工藝方案，見圖3。

圖3 優(yōu)化后的熱處理工藝Figure 3 Optimized heat treatment process

優(yōu)化熱處理工藝采用較高的正火預(yù)備熱處理+球化退火，該工藝與試制工藝相比，主要優(yōu)化方面有：

(1)增加1020～1040℃高溫正火預(yù)備熱處理。正火高溫段為組織的均勻化和碳化物溶解過程，用于溶解鍛件中的網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物和消除碳化物的不均勻性，特別是沿晶鏈狀碳化物充分溶入奧氏體。H13鋼在該溫度保溫較長時間并不發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象，同時使得原始組織中碳化物部分溶解，并保留一部分未溶碳化物質(zhì)點，有利于后續(xù)球化處理。

圖4 試制的顯微組織(×500)Figure 4 Microstructure of trial production(×500)

高溫正火后冷卻方式為吊下臺車空冷，正火空冷不至于使得坯料在冷卻過程中因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，空冷時單獨散開擺放使鍛件內(nèi)部溫度盡快返到外部，保持內(nèi)部溫度快速降低，同時封爐冷和低溫保持段使得部分溶解進基體的合金碳化物重新析出。

(2)球化等溫退火由730℃±10℃降為720℃±10℃且不得超過730℃，并適當延長保溫時間。H13鋼的球化退火主要是在前一過程中形成的大量均勻分布的合金碳化物質(zhì)點的前提下，延長保溫時間可在基體上均勻分布更多球狀小顆粒Fe3C或碳化物。球狀碳化物的顆粒越小，分布越均勻，越容易獲得良好的球化組織。等溫溫度超過730℃時，碳化物有粗化傾向。

3.3 生產(chǎn)過程管控

熱處理時合理裝爐，保證爐內(nèi)鍛件溫度的均勻，冷卻時及時吊下單獨散開擺放，確保獲得最佳的加熱和冷卻效果。

4 取得的實際效果

4.1 產(chǎn)品結(jié)果

熱處理優(yōu)化后的檢測結(jié)果見表4。

表4 熱處理優(yōu)化后的結(jié)果及判定Table 4 Results and judgment after heat treatment optimization

4.2 分析與討論

經(jīng)過高溫正火預(yù)備處理+球化退火的工藝后，硬度、顯微組織、晶粒度和沖擊吸收能量均合格，?1000 mm直徑H13鋼碳化物彌散程度及顆粒尺寸分布有了較大的提高，消除了網(wǎng)狀、帶狀及鏈狀碳化物，退火組織達到GA2級高水平級別，球化效果明顯；退火硬度也由180HBW降到165HBW；晶粒度由7級提升為8級；特別是7 mm×10 mm×55 mm的無缺口試樣沖擊吸收能量由254 J提高至350 J，提高了38%。

5 結(jié)論

(1)對于H13熱作模具鋼，應(yīng)采用高溫正火預(yù)備處理+球化退火的鍛后熱處理工藝，可獲得球狀珠光體+細小彌散均勻分布的粒狀碳化物組織。

(2)H13鋼最佳的高溫正火溫度為1030℃±10℃，最佳的球化等溫溫度為720℃±10℃。

(3)良好的球化退火組織是獲得H13鋼高韌性的必備條件。