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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(shù)中心 、鋼鐵研究院)

本文已在《模具制造》月刊上發(fā)表，版權(quán)歸作者所有，請注明轉(zhuǎn)載來源，謝謝！

1 引言

近年來， 中國鋁擠壓型材的生產(chǎn)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(chǎn)國。 鋁擠壓技術(shù)和鋁擠壓設(shè)備發(fā)展更快， 正在向鋁擠壓強(qiáng)國邁進(jìn)。鋁及鋁合金擠壓產(chǎn)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(chǎn)品成型和擠壓產(chǎn)品質(zhì)量的重要工具之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 鋁及鋁合金產(chǎn)品在建筑、 交通、 航空、 航天等領(lǐng)域的需求日益增加， 正朝著大規(guī)模、 復(fù)雜、精密、 多規(guī)格的方向發(fā)展。

2 鋁擠壓大型介紹

隨著鋁和鋁合金產(chǎn)品向大型化方向的發(fā)展， 鋁擠壓廠開始組裝大型鋁擠壓機(jī)等設(shè)備， 開始生產(chǎn)大型復(fù)雜截面鋁合金型材。大型復(fù)雜截面鋁合金型材具有比強(qiáng)度高、 結(jié)構(gòu)合理、 組裝工藝簡單、表面處理方便等特點。 目前已進(jìn)入市場需求快速增長階段， 品種規(guī)格不斷增加， 應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加， 已擴(kuò)展到國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)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(fù)雜截面鋁型材擠壓技術(shù)代表了當(dāng)今鋁型材加工技術(shù)的最高水平， 能否掌握大型鋁型材擠壓技術(shù)也代表了國家鋁加工行業(yè)的整體技術(shù)水平。 模具技術(shù)是大型復(fù)雜截面鋁型材擠壓生產(chǎn)技術(shù)的核心和關(guān)鍵技術(shù)， 已成為大型鋁型材擠壓生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，限制了大型材的復(fù)雜性。模具設(shè)計和制造水平直接決定擠壓水平；模具質(zhì)量影響擠壓產(chǎn)品質(zhì)量、成品率和擠壓生產(chǎn)效率。模具成本占擠壓生產(chǎn)成本的30%~40%， 甚至比例更高。

大規(guī)模擠壓模具對模具鋼的要求很高， 當(dāng)模具尺寸超過 600mm， 相對模具鋼具有明顯的尺寸效應(yīng)， 心沖擊韌性往往難以滿足模具使用標(biāo)準(zhǔn)的要求， 對大型模具鋼的生產(chǎn)技術(shù)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(dá)到 540℃） ， 高壓 (模具表面承力高達(dá)1GPa） 、 高摩擦 (剪切摩擦系數(shù)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(dāng)模具材料韌性差時， 模具容易斷裂故障， 因此 優(yōu)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(qiáng)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(guī)模發(fā)展， 大規(guī)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(guī)格的研究H13鋼， 鍛造圓鋼規(guī)格為 ? 605mm。生產(chǎn)工藝如下：EAF LF VD→電渣重熔→大型快鍛機(jī)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(xué)成分、 非金屬夾雜物和超聲波探傷符合相關(guān)要求。大規(guī)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(jù)北美壓鑄模具協(xié)會NADCA#207對非金屬夾雜物、 顯微組織和沖擊韌性進(jìn)行對比分析。

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 試驗材料

本文用于大規(guī)格的研究H13鋼鍛圓鋼生產(chǎn)規(guī)格為 605mm。大規(guī)格試驗H13鋼鍛圓鋼的冶煉化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)格圓鋼夾雜物

從表2可以看出， 是通過電渣冶煉工藝生產(chǎn)的H13鋼鍛大規(guī)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(xì)系為0級1.0級別， 北美壓鑄模協(xié)會NADCA#207 H13北美壓鑄模協(xié)會將鋼鍛造大規(guī)格圓鋼夾雜物NADCA#207優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 顯微組織

H13鋼材交付狀態(tài)為退火熱處理， 退火后顯微組織的優(yōu)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(biāo)是退火態(tài)球化組織， 北美壓鑄模具協(xié)會NADCA#207在優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(guī)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(guī)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(guī)格圓鋼心部顯微組織

從圖3和圖4可以看出， 大規(guī)格H13鋼鍛圓鋼球化退火顯微組織， 細(xì)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(jù)北美壓鑄模具協(xié)會NADCA#207 圖3中半徑1/2的球化組織可評為標(biāo)準(zhǔn)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?jīng)_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(chǎn)生和擴(kuò)展。擠壓模具的大規(guī)模化對模具鋼的要求很高，當(dāng)模具尺寸超過時600mm， 相對模具鋼具有明顯的尺寸效應(yīng)， 心臟沖擊韌性往往難以滿足模具使用標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。根據(jù)北美壓鑄模具協(xié)會NADCA#207 試驗取決于鋼截面中心， 淬、 回火調(diào)質(zhì)后的沖擊功， H13優(yōu)質(zhì)鋼平均值不低于170J， 單個最小值不低于95J。

大規(guī)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(diào)整到44~46HRC， 沖擊試樣尺寸為7×10×55mm，不開口， 按 GB/T 229 規(guī)定檢測沖擊性能M5C030G3型硬度計， ZBC-300型沖擊試驗機(jī)檢測試樣硬度和沖擊。

對大規(guī)格H13試驗鍛造圓鋼的橫向沖擊性能，表3為 605mm大規(guī)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(jié)果。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出， 通過電渣冶煉和 鍛造生產(chǎn)的大規(guī)格H13鋼 ? 605mm圓鋼， 橫截面中心沖擊功試驗結(jié)果， 平均沖擊功195.6J， 橫向截面半 徑 1/2 處 沖 擊 功 試 驗 結(jié) 果 ， 平 均 沖 擊 功 達(dá) 到214.7J。在橫截面中心和半徑的1/2處達(dá)到北美壓鑄模協(xié)會NADCA#207 優(yōu)質(zhì)鋼平均值不低于標(biāo)準(zhǔn)170J， 單個最小值不低于95J的要求。

5 結(jié)論

（1） 采用EAF LF VD ESR冶煉， 大型鍛造機(jī)鍛造工藝可生產(chǎn)高純度 605mm大規(guī)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(dá)到北美壓鑄模協(xié)會NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)質(zhì)鋼的夾雜物要求。

（2） H13鋼 ? 605mm大規(guī)格鍛造圓鋼， 球形退火顯微組織， 細(xì)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(xié)會NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)的大規(guī)格 H13 鋼? 605mm 橫截面中心的平均沖擊功達(dá)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(dá)到北美壓鑄模協(xié)會NADCA#207 優(yōu)質(zhì)鋼平均值不低于標(biāo)準(zhǔn)170J， 單個最小值不低于95J的要求。

—The End—

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