两种热作模具H13钢组织和性能研究

马 野，刘宝石，牟 风，祝仁龙

（抚顺特殊钢股份有限公司，辽宁抚顺 113000）

1 引言

随着中国2001年加入WTO以及机械制造业的发展，中国的模具工业得到了迅速发展，从而也推动了模具钢的发展。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具质量在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，模具更成为工业生产的基础工艺装备。与此同时，在模具工业迅猛发展的高要求下，对模具材料的性能和使用寿命等提出了更高的要求。

在整个模具工业中，热作模具占有重要的地位，以压铸模为例，压铸作为一种金属零件接近最后形状尺寸的精密成形工艺，在高速发展的汽车、机械、电子等重要产业中占有举足轻重的地位，需求量与日俱增。我国每年需要压铸模具数十万吨，价值数十亿元。汽车轻量化就要大量采用铝合金、镁合金压铸件。每个国家都是汽车制造业驱动压铸行业，中国汽车业使用压铸件约占65%以上的市场份额，在日本等发达国家达到80%以上。

2 热作模具钢

热作模具钢主要用于制造对高温状态的金属或液态金属压制成工件的模具，该过程要将金属或液态金属加热到再结晶温度以下，因此与其它类型的模具钢如冷作模具钢、塑料模具钢的使用性能有较大差异。热作模具钢含碳量一般为0.3%～0.6%，添加提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，可分为铬钼系热作模具钢和铬钨系热作模具钢等。我国在20世纪80年代初引进由美国开发的国外通用铬钼系热作模具钢H13（我国钢号为4Cr5MoSiV1），该钢以其高的淬透性、淬硬性、强韧性和热疲劳抗力在国内外得到广泛的应用，应用于制作热挤压模、压铸模、热锻模和塑料模等，是当前世界范围内使用最广泛的热作模 具钢。

随着模具技术的发展，对模具钢的质量性能提出更高要求。早在20世纪80年代，国外模具钢的先进生产企业，开始进行高等向性H13钢的研制和生产，首先奥地利BOHLER提出，通过超纯净冶炼技术、均质化技术及超细化处理大大提高了H13钢的等向性，从而使模具的使用寿命大幅度提高。之后日本大同特殊钢、日立、高周波，瑞典UDDEHOLM等均推出高级优质H13钢，走在了世界前列。抚顺特钢发展了高级优质H13钢；瑞典发展了高级优质H13钢（一胜百的8407钢），成为优秀品牌的热作模具钢。

瑞典一胜百8407钢属热作模具钢，属于铬、钼、钒合金工具钢，该钢组织结构均匀，高纯净度具有高韧性和高等向性，适用于≤600℃工作的金属压铸模、挤压模等。

3 试验方案

本文进行两种国内外相似规格的高级优质热作模具H13钢的质量对比分析研究，涉及的钢种有抚顺特钢生产的H13钢，瑞典一胜百的8407钢。本文中用于研究的抚顺特钢H13钢，锻造扁钢规格为350×600mm。生产工艺流程为：真空精炼→电渣重熔→大型快锻机锻造成材→钢材热处理。用于研究的瑞典一胜百的8407钢，锻造扁钢规格为350×650mm。

试验对抚顺特钢生产的高级优质热作模具H13钢和瑞典一胜百的8407钢，按照北美压铸模协会NADCA#207-2008标准进行化学成分、带状偏析、退火组织和冲击韧性进行对比分析。

4 试验结果及讨论

4.1 化学成分

本文中用于研究的抚顺特钢高级优质H13钢，锻造扁钢规格为350×600mm。试验的高级优质H13钢锻造扁钢的化学成分如表1所示。

表1 H13钢350×600mm锻造扁钢的化学成分 %

本文中用于研究的瑞典一胜百的8407钢，锻造扁钢规格为350×650mm。试验的8407钢锻造扁钢的化学成分见表2所示。

表2 8407钢350×650mm锻造扁钢的化学成分 %

从表1和表2可以看出，两种试验钢成分符合NADCA#207-2008标准，不同钢种的成分特点是：抚顺特钢高级优质H13钢的Cr和V元素含量略高于瑞典一胜百的8407钢。与钢材洁净度相关的S、P及气体含量两种对比材料也存在差异，主要为：①瑞典一胜百8407钢的P含量0.008%高于抚顺特钢高级优质H13钢，氧含量0.0010%低于抚顺特钢高级优质H13钢；②抚顺特钢高级优质H13钢P含量在0.005%低于瑞典一胜百8407钢，氮含量115ppm低于瑞典一胜百8407钢，氧含量18ppm高于瑞典一胜百8407钢。

4.2 带状偏析

带状偏析是影响热作模具钢内在质量的主要因素之一，因此对比钢的带状偏析组织的差异具有重要意义。钢的凝固过程中合金元素和碳的富集形成的枝晶偏析在热变形被拉长，形成合金元素和碳的富集条带，退火过程中形成颗粒尺寸不一，碳化物偏聚的条带，试样纵向腐蚀后可见条带状偏析。本试验根据对比材料的尺寸规格特点，按NADCA标准要求，选取材料心部、1/4D和边部带状组织进行对比分析，如图1所示。

图1 对比实验钢的带状偏析组织（50×）

根据金相组织观察，从图1中可以看出，按NADCA#207-2008标准图谱，抚顺特钢高级优质H13钢和瑞典一胜百的8407钢带状偏析组织符合可接受标准要求，瑞典一胜百的8407钢的带状偏析略优于抚顺特钢高级优质H13钢。

4.3 退火组织

退火显微组织是评价H13类钢质量好坏的关键依据之一，北美压铸模协会NADCA#207-2008优质钢标准中H13钢的退火显微组织合格级别为AS1-AS9合格。良好的退火显微组织在淬火组织中可以获得良好的马氏体组织，可加宽模具的淬火温度范围，缩小过热敏感性，减少模具变形和防止淬火冷却裂纹的产生，因此均匀球状珠光体组织既球化组织，对热作模具的最终热处理和使用有着极为重要的意义。本试验根据对比材料的尺寸规格特点，按NADCA标准要求，选取材料心部、1/4D和边部退火组织进行对比分析，如图2所示。

图2 对比实验钢的退火组织（500×）

从图2中可以看出，抚顺特钢高级优质H13钢退火显微组织级别，材料心部、1/4D和边部评级为AS4、AS3和AS3，瑞典一胜百的8407钢退火显微组织级别，材料心部、1/4D和边部评级为AS3、AS3和AS3，两种试验钢的退火组织良好，碳化物分布均匀弥散，钢材心部、1/4 D和边部退火组织级别基本均匀一致。

两种试验钢存在的差异主要为：瑞典一胜百的8407钢退火组织中，心部可见轻微碳化物偏析；抚顺特钢高级优质H13钢退火组织中，心部可见少量网状碳化物。

4.4 冲击韧性

冲击韧性尤其是横向冲击韧性在热作模具钢中是非常重要的力学性能之一，被作为是NADCA#207-2008标准中关键的评级指标。因为热作模具在工作过程中需要承受一定的冲击载荷，为了保证模具不产生开裂和变形，则需要保持较高的冲击韧性和断裂韧性。在大截面或含钼钨元素高的热作模具中，淬火组织中易出现脆的中间转变产物导致热脆。通过合理的成分设计、合理的热处理工艺及组织分布，可以提高材料的韧性。对于热作模具钢来说，根据使用性能的要求，合理的韧性和强度的匹配，才能最大限度地提高热作模具的使用寿命。

抚顺特钢高级优质H13钢和瑞典一胜百的8407钢冲击试样取自扁钢横向截面中心、1/4D和边部。按NADCA标准，采用的热处理制度淬火温度1,030℃，回火温度600℃，冲击试样的热处理硬度调整到44～46HRC，处理冲击试样尺寸为V型缺口10×10×55mm冲击试样，检测冲击性能，采用M5C030G3型硬度计、ZBC-300型冲击试验机检测试样硬度和冲击。

对抚顺特钢高级优质H13钢和瑞典一胜百的8407钢横向冲击性能进行试验，表3为横向冲击性能检验结果对比。

表3 试验钢的横向冲击功及回火硬度

试验钢不同位置的横向冲击韧性功对比见表3，使用夏比V形缺口试样进行的5个冲击试验，去掉一个最大值和一个最小值，试验结果取其余3个的平均值。试验结果：瑞典一胜百的8407钢横向冲击功心部、1/4D和边部差异不大，基本达到NADCA标准高级优质H13钢冲击功要求；抚顺特钢高级优质H13钢横向冲击功心部、1/4D和边部差异较大，基本达到NADCA标准高级优质H13钢冲击功要求，心部和1/4D横向冲击功均低于瑞典一胜百的8407钢，但边部高于瑞典一胜百的8407钢。

5 结论

（1）两种试验钢成分符合NADCA#207标准，不同钢种的成分特点是：抚顺特钢高级优质H13钢的Cr和V元素含量略高于瑞典一胜百的8407钢。抚顺特钢高级优质H13钢P含量在0.005%低于瑞典一胜百8407钢，氮含量115ppm低于瑞典一胜百8407钢，氧含量18ppm高于瑞典一胜百8407钢。

（2）按NADCA#207标准图谱，抚顺特钢高级优质H13钢和瑞典一胜百的8407钢，带状偏析组织符合可接受标准要求，瑞典一胜百的8407钢的带状偏析略优于抚顺特钢高级优质H13钢。

（3）按NADCA#207标准图谱，抚顺特钢高级优质H13钢和瑞典一胜百的8407钢，退火显微组织符合标准要求，两种试验钢的退火组织良好，碳化物分布均匀弥散，钢材心部、1/4 D和边部退火组织级别基本均匀一致。两种试验钢存在的差异主要为：瑞典一胜百的8407钢退火组织中，心部可见轻微碳化物偏析；抚顺特钢高级优质H13钢退火组织中，心部可见少量网状碳化物。

（4）瑞典一胜百的8407钢横向冲击功心部、1/4D和边部差异不大，基本达到NADCA标准高级优质H13钢冲击功要求；抚顺特钢高级优质H13钢横向冲击功心部、1/4D和边部差异较大，基本达到NADCA标准高级优质H13钢冲击功要求，心部和1/4D横向冲击功均低于瑞典一胜百的8407钢，但边部高于瑞典一胜百的8407钢。