摘要：采用爐外精練、氣體保護(hù)電渣重溶技術(shù)以及高溫均質(zhì)化處理、多向鍛造、超細(xì)化處理技術(shù)研制的熱作模具鋼SWPH13的質(zhì)量水平可與國際領(lǐng)先水平的瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)相媲美，標(biāo)志著國產(chǎn)H13熱作模具鋼的質(zhì)量水平躍上了一個(gè)新的臺階。
關(guān)鍵詞： SWPH13鋼；超細(xì)化處理；熱疲勞性能；沖擊韌度；等向性能；碳化物均勻性
本文摘自《熱處理》2006年第21卷第2期(作者:劉笑蓮 寶鋼股份特殊鋼分公司，從事特殊鋼鍛造及熱處理技術(shù)研究)
    隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的深入發(fā)展，模具工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的作用越來越大，機(jī)械、電子、汽車、輕工和國防工業(yè)的發(fā)展均要求模具工業(yè)的發(fā)展與之相適應(yīng)。模具工業(yè)已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)志之一。模具鋼材是模具工業(yè)的重要技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)，我國近年來模具工業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了模具鋼在品種、質(zhì)量方面有了較大的發(fā)展和提高，形成了冷作、熱作、塑料等系列模具鋼，典型鋼種有Crl2MoV、4Cr5MoSiV1、3Cr2Mo等。但由于存在品種規(guī)格不全、高質(zhì)量產(chǎn)品少、性能不夠穩(wěn)定等因素，國產(chǎn)模具鋼還不能完全滿足模具工業(yè)快速發(fā)展的需求，大型、復(fù)雜、精密、長壽命模具每年還需從瑞典、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家大量進(jìn)口。
    改變我國在高檔模具鋼方面大量依賴進(jìn)口的局面是當(dāng)務(wù)之急。寶鋼集團(tuán)五鋼公司與上海大學(xué)合作研制成功了可與代表當(dāng)今國際領(lǐng)先水平的瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼相媲美的精品SWPH13熱作模具鋼，提升了我國熱作模具鋼的質(zhì)量檔次。
模具鋼的差距
近年來我國模具鋼在生產(chǎn)規(guī)模、品種規(guī)格、材質(zhì)等方面與國外先進(jìn)國家相比仍有差距。日本模具的年產(chǎn)值90年代就已達(dá)到160億美元，而我國的模具產(chǎn)值僅相當(dāng)于日本的1/5，大型、復(fù)雜、精密模具還主要依賴進(jìn)口。就目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼H13而言，與進(jìn)口材料相比仍存在共晶碳化物、帶狀偏析較為嚴(yán)重，等向性能較差，使用壽命不高等問題。即使是經(jīng)電渣重溶的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼，與瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼相比也存在不少差距，普通H13鋼(電爐單煉及普通熱加工)更不言而喻。
⒈交貨狀態(tài)的組織
國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼退火態(tài)心部組織存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，二次碳化物聚集在晶界處，并且在局部地方連成鏈狀碳化物。共晶碳化物和二次碳化物在晶界聚集強(qiáng)烈影響模塊的沖擊韌度。
ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼模塊二次碳化物分布均勻，無網(wǎng)鏈狀碳化物存在。
⒉等向性能
國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)Hl3鋼與ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)模塊淬回火態(tài)無缺口試樣的沖擊功，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼模塊沖擊功橫縱比不到0.5，等向性能較差；而ASSAB8407鋼模塊橫向心部試樣沖擊功較高，沖擊功橫縱比達(dá)0.85，顯示了良好的等向性能。
⒊熱疲勞性能對比
采用UDDEHOLM自約束熱疲勞試驗(yàn)法，在20℃~700℃之間冷熱循環(huán)3000周次，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼熱疲勞裂紋擴(kuò)展方向明顯，裂紋粗大，而ASSAB8407鋼熱疲勞裂紋呈均勻網(wǎng)絡(luò)狀擴(kuò)展，裂紋較細(xì)小。國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼鋁合金壓鑄模使用壽命最高達(dá)6萬次，而ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼可穩(wěn)定達(dá)到20萬次以上。
提高H13鋼質(zhì)量及性能的關(guān)鍵技術(shù)
⒈鋼的純凈度
鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，易引起應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴(kuò)大而導(dǎo)致模具失效。塑性夾雜物在鍛軋過程中延展變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。隨著鋼的冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，電爐鋼可以進(jìn)行爐外精練和真空脫氣處理，電渣重熔可以在氣體保護(hù)下進(jìn)行，這些措施都可以有效地提高鋼的純凈度。
SWPH13鋼的冶煉采用EAF+LFV+PESR(氣體保護(hù)電渣重熔)技術(shù)，電爐冶煉電極采用低硫磷合金和廢鋼，采用氧化法冶煉除磷，加強(qiáng)爐外精練的脫硫及真空脫氣；電渣重熔采用多元渣系，并在氬氣氣氛下重熔。采用以上技術(shù)可以使SWPH13鋼的非金屬夾雜物細(xì)小、彌散。
⒉磷硫含量
在優(yōu)化鋼的化學(xué)成分的同時(shí)，必須注意鋼中的磷硫含量。鋼中的磷和硫在凝固過程中形成的磷化物和硫化物在晶界沉淀富集，降低晶界的結(jié)合強(qiáng)度，因而使鋼產(chǎn)生晶間脆性，降低鋼的塑性、韌性及疲勞性能，影響模具的使用壽命。日本大同特殊鋼對H13鋼的研究顯示，鋼中的0．025％P和0．008％S分別降低到0.005％P和0.001％S，熱疲勞裂紋產(chǎn)生的數(shù)量和長度會減少一半。SWPH13鋼通過采用EAF+LFV+PESR(氣體保護(hù)電渣重熔)技術(shù)，可使鋼中的磷含量降低到0.010％以下，硫含量降低到0.005％以下。
⒊鋼中碳化物分布的均勻性
H13鋼的含碳量并不太高，僅為0.4％左右，但合金元素總量達(dá)8％，因此屬于過共析鋼，由于碳及合金元素的偏析，H13鋼中有時(shí)會出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物。這類碳化物一旦形成大塊棱角狀，或堆集成網(wǎng)鏈狀，就會促使模具早期失效。
由于鋼錠凝固時(shí)的選分結(jié)晶，尤其是凝固后期枝晶偏析嚴(yán)重，在枝晶網(wǎng)胞邊緣生成連續(xù)的粗大碳化物網(wǎng)，使金屬塑性急劇下降。熱加工退火后貧碳區(qū)與富碳區(qū)交替分布形成帶狀組織，導(dǎo)致模塊力學(xué)性能各向異性。
H13鋼中的碳化物大多數(shù)是M23C6型鉻的碳化物，還有少量的M7C3和MC型鉬和釩的碳化物。共晶碳化物主要是富含V的MC型碳化物。
高溫均質(zhì)化處理能夠有效地改善碳化物的偏析程度。合金元素的擴(kuò)散需要一定的濃度梯度。H13鋼鑄態(tài)組織中共晶碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布，擴(kuò)散界面比較大，晶界與晶內(nèi)碳及合金元素存在較大的濃度梯度，所以富集在晶界的多余碳、合金元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入鐵素體晶內(nèi)，從而不斷溶解共晶碳化物，達(dá)到成分均勻。
經(jīng)過在1200℃以上的高溫長時(shí)間保溫，H13鋼成分偏析得到改善，共晶碳化物數(shù)量減少、顆粒變小，成分更加均勻。通過對H13鋼高溫均勻化前后元素微區(qū)成分分析，Cr、Mo、V合金元素的成分上下波動(dòng)幅度較小。
⒋ 組織均勻性
眾所周知，鋼中的組織及碳化物越均勻細(xì)小，鋼的沖擊韌度就越高，從而提高模具的使用壽命。SWPH13鋼采用了獨(dú)特的“超細(xì)化處理工藝”，獲得了細(xì)小均勻的組織，使沖擊韌度大幅度提高。
在同一生產(chǎn)條件下，經(jīng)過超細(xì)化處理，SWPH13鋼的組織及碳化物明顯細(xì)化，淬回火態(tài)無缺口試樣沖擊功提高到290J。
⒌熱疲勞性能
熱作模具在使用過程中要與高溫金屬接觸，模具型腔表面在短時(shí)間內(nèi)會達(dá)到700℃，之后迅速冷卻，這種急熱急冷過程會在模具表面產(chǎn)生應(yīng)力。模具在循環(huán)應(yīng)力作用下服役，其表面易產(chǎn)生疲勞裂紋，影響模具使用壽命。
熱疲勞性能與鋼的純凈度及組織、碳化物形態(tài)和分布等因素有關(guān)。若把共晶碳化物、夾雜物看作球形第二相，則在碳化物及夾雜物周圍基體可產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力為
σt=(αi-αm )ΔTEiEm/[Ei(1+Vm)+2Em(1-Vi)]  (1)
式中αi，αm分別為第二相質(zhì)點(diǎn)及基體的熱膨脹系數(shù)；Ei，Em分別為第二相質(zhì)點(diǎn)及基體的彈性模量；Vi，Vm分別為第二相質(zhì)點(diǎn)及基體的泊松比；ΔT為熱循環(huán)溫度。用上式計(jì)算的H13鋼在20℃和700℃之間循環(huán)加熱冷卻時(shí)第二相顆粒周圍的拉應(yīng)力達(dá)到628MPa，而H13鋼在700℃時(shí)的高溫屈服強(qiáng)度只有430MPa，此時(shí)基體早已屈服變形，松馳應(yīng)力，而第二相質(zhì)點(diǎn)不隨基體變形，使此處萌生微裂紋。因此減少鋼中夾雜物數(shù)量及尺寸，細(xì)化碳化物粒度，有利于提高熱疲勞性能。
鋼的韌性的含義是阻止已有裂紋在拉伸負(fù)荷作用下擴(kuò)展的能力。韌性與鋼的組織有密切的關(guān)系，組織越細(xì)小均勻，韌性越高。因此“超細(xì)化處理”非常有利于熱疲勞性能的提高。
采用UDDEHOLM 自約束熱疲勞試驗(yàn)法對國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼和經(jīng)過高溫均質(zhì)化及超細(xì)化處理的SWPH13鋼的熱疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果表明，SWPH13鋼的熱疲勞性能優(yōu)于國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)H13鋼。
為了便于比較，我們引入裂紋損傷因子D的概念，計(jì)算方法為
D=A•W/L  (2)
其中A為熱疲勞裂紋面積；W為主裂紋寬度；L為表面裂紋總長度。
⒍等向性能
由于鋼中存在諸多缺陷，如非金屬夾雜物、成分偏析、碳化物偏析等將會導(dǎo)致模塊各個(gè)方向的性能存在差異，影響模具的使用。這是目前國產(chǎn)H13鋼普遍存在的問題。
H13鋼中的碳化物偏析常呈條帶狀分布，導(dǎo)致模具產(chǎn)生各向異性。高溫均質(zhì)化處理可減少鋼中碳化物的偏析，有利于改善鋼的各向異性。同時(shí)采用多向鍛造的方法可使鋼中的碳化物分布趨于均勻。這兩項(xiàng)技術(shù)均應(yīng)用到SWPH13熱作模具鋼的研究當(dāng)中，使模塊心部試樣的沖擊韌度橫縱比達(dá)到0.8以上，模塊的各向異性顯著改善。
㈣SWPH13熱作模具鋼的質(zhì)量水準(zhǔn)
在普通H13鋼的基礎(chǔ)上，采用EAF+LFV+PESR精煉，電渣錠采用高溫均質(zhì)化處理，模塊采用超細(xì)化處理等多項(xiàng)核心技術(shù)，使SWPH13鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)超過了具有國際先進(jìn)水平的NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)(NADCA Die Materials Committee．NADCA#207-97 Premium Quality H-1 3 steel Acceptance Criteria for Pressure Die Casting Dies［S］．1997．)要求，達(dá)到了瑞典UDDEHOKM的ASSAB8407鋼的水平。
⒈化學(xué)成分
SWPHl3與ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼的化學(xué)成分(wt％)
SWPHl3：C0.40；Si0.99；Mn0.32；Cr5.35；Mo1.49；V1.04；Ni0.08；P0.005；S0.001；Cu0.12；Pb0.001；Sb0.001；As0.008；Sn0.01；O13×10^-6；N135×10^-6
ASSAB8407：C0.40；Si1.00；Mn0.42；Cr5.17；Mo1.49；V0.97；Ni0.08；P0.010；S0.001；Cu0.06；Pb0.002；Sb0.004；As0.010；Sn0.01；O7×10^-6；N122×10^-6
關(guān)鍵元素P、S的含量均達(dá)到了ASSAB8407鋼的水平。
⒉退火組織及帶狀組織(按NADCA207標(biāo)準(zhǔn)評定)
SWPH13與ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼退火組織及帶狀組織對比
鋼號                    退火組織            帶狀組織
SWPHl3                   A2                    B
ASSAB8407             A2                    B
⒊非金屬夾雜物
SWPH13與ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼的非金屬夾雜物
鋼號               A細(xì)  A粗  B細(xì)  B粗  C細(xì)  C粗  D細(xì)  D粗
SWPHl3          0.5   0.0   0.5   0.5   0.0   0.0   1.0   0.5
ASSAB8407    0.5   0.0   1.0   1.0   0.0   0.0   0.5   0.5
⒋沖擊功
采用淬回火態(tài)55mm×10mm×7mm無缺口試樣進(jìn)行沖擊功檢驗(yàn)，SWPH13鋼的縱向表面、心部及橫向表面的淬回火態(tài)沖擊功與ASSAB8407鋼相當(dāng)；而其橫向心部沖擊功明顯高于ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼，表面橫縱比達(dá)到1，心部橫縱比達(dá)到0.84，ASSAB 8407鋼心部橫縱比為0.85，SWPH13鋼顯示出良好的等向性能。
⒌熱疲勞性能
SWPHl3鋼循環(huán)3000周次后熱疲勞裂紋形貌與ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼一樣呈細(xì)小網(wǎng)絡(luò)狀分布。同時(shí)，SWPHl3鋼的表面裂紋損傷因子好于ASSAB 8407鋼，熱疲勞性能略好于ASSAB 8407鋼。
以上性能對比說明，SWPH13鋼的性能已經(jīng)達(dá)到瑞典ASSAB 8407鋼的水平。五鋼公司的精品熱作模具鋼SWPH13已經(jīng)應(yīng)用于一汽集團(tuán)汽車零部件成型模具，熱處理及加工性能良好。
提高Hl3熱作模具鋼質(zhì)量的途徑
五鋼公司研制的SWPH13熱作模具鋼之所以能夠達(dá)到國際一流水平，是因?yàn)樵谝恍┖诵募夹g(shù)方面有所突破，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)(一種5％Cr熱作模具鋼熱處理方法，專利號為01113411.9)，為國產(chǎn)熱作模具鋼質(zhì)量水平的提高探索出了一條有效的途徑。歸納起來主要為以下幾方面：
⒈提高標(biāo)準(zhǔn)要求
目前國內(nèi)H13鋼是按GB/T1299—2000標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，該標(biāo)準(zhǔn)僅對低倍、硬度、脫碳層等指標(biāo)規(guī)定了要求，而對熱作膜具鋼使用性能影響較大的關(guān)鍵指標(biāo)卻沒有提及。而五鋼公司的SWPH13熱作模具鋼完全按照北美壓鑄協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)NADCA207的要求進(jìn)行研制，從而大幅度提升了國產(chǎn)H13鋼的質(zhì)量水平。
⒉采用先進(jìn)工藝生產(chǎn)
應(yīng)用一系列新技術(shù)、新工藝，采用爐外精煉、保護(hù)氣氛電渣重熔、高溫均質(zhì)化處理、超細(xì)化處理、多向鍛造等技術(shù)提高鋼的純凈度，減少碳化物帶狀偏析，均勻及細(xì)化組織及碳化物，從而提高了等向性能及熱疲勞性能。
    雖然我國模具鋼尤其是高質(zhì)量模具鋼與國際先進(jìn)水平相比還有一定的差距，但在某些方面已有所突破。SWPH13熱作模具鋼的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到國際一流水平，標(biāo)志著我國在應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼方面取得了長足的進(jìn)步。同時(shí)也應(yīng)看到，國產(chǎn)模具鋼在產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、銷售、最終熱處理及使用技術(shù)等方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有差距。優(yōu)良的材質(zhì)是提高模具壽命的基礎(chǔ)，型腔制作后的最終熱處理及模具的合理使用也是至關(guān)重要的。應(yīng)進(jìn)一步研究模具鋼的最終熱處理，為用戶提供技術(shù)支撐，才能使國產(chǎn)模具鋼全面趕超國際先進(jìn)水平。
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