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作者:馬 野、 周 健、 孫秀華、汝亞斌、楊天亮、劉寶石(撫順特種鋼鐵有限公司技術中心 、鋼鐵研究院)
本文已在《模具制造》月刊上發表，版權歸作者所有，請注明轉載來源，謝謝！
摘要鋁擠壓模具鋼H13鋼， 尺寸≥ ? 600mm研究了鍛造大規格圓鋼的顯微組織和沖擊性能。結果表明采用EAF LF VD ESR冶煉， 大型鍛造機鍛造工藝可生產高純度H13 通過大型鍛造機對鋼錠進行多火多方向鍛造， 可生產 605mm大型圓鋼。通過對大型圓鋼不同位置的顯微組織和 沖擊性能的測試，表明 H13大型圓鋼可滿足模具使用標準要求。關鍵詞： 鋁擠壓；鍛造；顯微組織；沖擊性能；H131 引言
近年來， 中國鋁擠壓型材的生產和消費已躍居世界第一。 中國已成為鋁擠壓型材的主要生產國。 鋁擠壓技術和鋁擠壓設備發展更快， 正在向鋁擠壓強國邁進。鋁及鋁合金擠壓產品包括棒、 線、 管和型材， 通過各種鋁及鋁合金擠壓模具獲得。因此， 鋁及鋁合金擠壓模具是保證鋁及鋁合金產品成型和擠壓產品質量的重要工具之一。隨著國民經濟的快速發展， 鋁及鋁合金產品在建筑、 交通、 航空、 航天等領域的需求日益增加， 正朝著大規模、 復雜、精密、 多規格的方向發展。
2 鋁擠壓大型介紹
隨著鋁和鋁合金產品向大型化方向的發展， 鋁擠壓廠開始組裝大型鋁擠壓機等設備， 開始生產大型復雜截面鋁合金型材。大型復雜截面鋁合金型材具有比強度高、 結構合理、 組裝工藝簡單、表面處理方便等特點。 目前已進入市場需求快速增長階段， 品種規格不斷增加， 應用領域不斷增加， 已擴展到國民經濟的各個行業和人民生活的各個方面。例如，鋁型材、 高速列車 （見圖1） 、城市地鐵大型鋁型材等。
大型復雜截面鋁型材擠壓技術代表了當今鋁型材加工技術的最高水平， 能否掌握大型鋁型材擠壓技術也代表了國家鋁加工行業的整體技術水平。 模具技術是大型復雜截面鋁型材擠壓生產技術的核心和關鍵技術， 已成為大型鋁型材擠壓生產的技術瓶頸，限制了大型材的復雜性。模具設計和制造水平直接決定擠壓水平；模具質量影響擠壓產品質量、成品率和擠壓生產效率。模具成本占擠壓生產成本的30%~40%， 甚至比例更高。
大規模擠壓模具對模具鋼的要求很高， 當模具尺寸超過 600mm， 相對模具鋼具有明顯的尺寸效應， 心沖擊韌性往往難以滿足模具使用標準的要求， 對大型模具鋼的生產技術帶來了巨大的考驗。在擠壓模具的使用過程中， 由于高溫 （工作溫度可達到 540℃） ， 高壓 (模具表面承力高達1GPa） 、 高摩擦 (剪切摩擦系數接近1) 三高損傷， 易斷裂故障， 模具斷裂故障是常見的故障模式之一。當模具材料韌性差時， 模具容易斷裂故障， 因此 優良的韌性是鋁擠壓模具的基本性能之一。
近十年來， 熱作模具鋼H13韌性好，熱強度好， 熱疲勞性能好，耐磨性好。在我國， H13鋼廣泛用于制造鋁合金型材擠壓模具， 隨著鋁擠壓模具的大規模發展， 大規格H13鋼鐵的市場需求越來越大。
圖1
3 試驗方案
本文用于大規格的研究H13鋼， 鍛造圓鋼規格為 ? 605mm。生產工藝如下：EAF LF VD→電渣重熔→大型快鍛機鍛造成材→鋼材熱處理， 熱處理退火溫度為820℃~840℃， 鋼退火后的硬度≤229HB。其化學成分、 非金屬夾雜物和超聲波探傷符合相關要求。大規格試驗H13鋼鍛圓鋼分析非金屬夾雜物、 顯微組織和沖擊韌性， 根據北美壓鑄模具協會NADCA#207對非金屬夾雜物、 顯微組織和沖擊韌性進行對比分析。
4 試驗結果及討論
4.1 試驗材料
本文用于大規格的研究H13鋼鍛圓鋼生產規格為 605mm。大規格試驗H13鋼鍛圓鋼的冶煉化學成分如表1所示。
H13鋼渣鋼錠通過大型鍛造鍛造成材 605mm大型圓鋼表2為圓鋼的非金屬夾雜物級 (按等級評分)ASTM E45 標準檢驗) 圖2顯示H13鋼鍛造大型圓鋼夾雜物。
圖2 H13鋼鍛造大規格圓鋼夾雜物
從表2可以看出， 是通過電渣冶煉工藝生產的H13鋼鍛大規格圓鋼中各種夾雜物粗系為0級， 氧化物和 硫化物的夾雜細系為0級1.0級別， 北美壓鑄模協會NADCA#207 H13北美壓鑄模協會將鋼鍛造大規格圓鋼夾雜物NADCA#207優質鋼標準要求。
4.2 顯微組織
H13鋼材交付狀態為退火熱處理， 退火后顯微組織的優缺點直接影響用戶的最終使用性能。因此，退火顯微組織是一種評價H13 顯微組織的重要指標是退火態球化組織， 北美壓鑄模具協會NADCA#207在優質鋼標準中H13鋼的合格等級為AS1-AS9合格。球形退火獲得均勻的球形珠光體組織， 和球形珠光體均勻分布在鐵素體上， 可以獲得良好的馬氏體組織， 可以擴大模具的淬火溫度范圍， 降低過熱敏感性， 減少模具變形，防止淬火冷卻裂紋， 所以球形組織均勻， 對熱模具的最終熱處理和使用具有重要意義。
對大規格H13觀察鋼鍛圓鋼顯微組織， 圖3為H13鋼 ? 605mm圓鋼橫截面1/2半徑顯微組織， 圖4為H13鋼 ? 605mm圓鋼橫截面心部顯微組織規格。
圖3 H13大型圓鋼鍛造的1/2半徑顯微組織
圖4 H13鋼鍛造大規格圓鋼心部顯微組織
從圖3和圖4可以看出， 大規格H13鋼鍛圓鋼球化退火顯微組織， 細粒狀碳化物分布在鐵素體基體上， 碳化物分布均勻，球形珠光體組織均勻。根據北美壓鑄模具協會NADCA#207 圖3中半徑1/2的球化組織可評為標準評級AS4級， 圖4中中心處的球化組織可以被評為AS6 均為合格的顯微組織。
4.3 沖擊韌性
良好的水平沖擊性能是鋼使用過程中良好疲勞韌性的保證。 沖擊韌性高， 可減少熱疲勞裂紋的產生和擴展。擠壓模具的大規模化對模具鋼的要求很高，當模具尺寸超過時600mm， 相對模具鋼具有明顯的尺寸效應， 心臟沖擊韌性往往難以滿足模具使用標準的要求。試驗鋼的橫向沖擊性能主要與帶狀組織、碳化物尺寸和 分布有關。根據北美壓鑄模具協會NADCA#207 試驗取決于鋼截面中心， 淬、 回火調質后的沖擊功， H13優質鋼平均值不低于170J， 單個最小值不低于95J。
大規格H13圓鋼沖擊試樣取自圓鋼橫截面中心和 1/2 半徑。熱處理制度淬火溫度為1，030℃， 回火溫度600℃， 沖擊樣品的熱處理硬度調整到44~46HRC， 沖擊試樣尺寸為7×10×55mm，不開口， 按 GB/T 229 規定檢測沖擊性能M5C030G3型硬度計， ZBC-300型沖擊試驗機檢測試樣硬度和沖擊。
對大規格H13試驗鍛造圓鋼的橫向沖擊性能，表3為 605mm大規格H13對比鍛造圓鋼截面中心和半徑1/2的橫向沖擊性能檢驗結果。
從表3中的數據可以看出， 通過電渣冶煉和 鍛造生產的大規格H13鋼 ? 605mm圓鋼， 橫截面中心沖擊功試驗結果， 平均沖擊功195.6J， 橫向截面半 徑 1/2 處 沖 擊 功 試 驗 結 果 ， 平 均 沖 擊 功 達 到214.7J。在橫截面中心和半徑的1/2處達到北美壓鑄模協會NADCA#207 優質鋼平均值不低于標準170J， 單個最小值不低于95J的要求。
5 結論
（1） 采用EAF LF VD ESR冶煉， 大型鍛造機鍛造工藝可生產高純度 605mm大規格H13各種夾雜物的粗系為0級， 氧化物和 硫化物的粗系為0級1.0 達到北美壓鑄模協會NADCA#207標準中優質鋼的夾雜物要求。
（2） H13鋼 ? 605mm大規格鍛造圓鋼， 球形退火顯微組織， 細粒狀碳化物分布在鐵素體基體上， 碳化物分布均勻， 球形珠光體組織均勻。北美壓鑄模協會NADCA#207標準評級， 半徑1/2處的球化組織可以被評為AS4 中心的球化組織可以評為AS6 均為合格的顯微組織。
(3) 通過電渣冶煉和 鍛造生產的大規格 H13 鋼? 605mm 橫截面中心的平均沖擊功達到 195.6J， 水平截面半徑 1/2 214.7J。在橫截面中心和半徑的1/2處達到北美壓鑄模協會NADCA#207 優質鋼平均值不低于標準170J， 單個最小值不低于95J的要求。
—The End—
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