简论H13模具钢的质量控制与分析

简论H13模具钢的质量控制与分析

谢国乾

广州市冶金工业研究所510440

摘要：本文主要简述了化学成分对H13钢性能的影响，分析H13模具钢生产关键技术、H13钢的金相组织与性能，为准确了解钢材质量，随机在商品材上进行取样分析，并同时取了瑞典8407、德国1.2344和国内某厂的H13进行对比分析。

关键词：H13模具钢；性能；关键技术；质量检验

H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种，其特性非常适合用于铝型材挤压生产。然而，随着铝型材挤压行业的发展，铝型材向更大、更复杂的方向发展，这就对挤压模具提出了更高的性能要求。

一、化学成分对H13钢性能的影响

（1）C含量与钢的强度成正比关系，钢中增加C含量将提高钢的强度，对热作模具钢而言，会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，但会导致其韧度的降低。

（2）Cr对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响；含量较高时，其回火抗力也高，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能。

（3）Ti、V、Mo元素。锻造或淬火阶段，Ti、V、Mo等碳化物形成元素会形成难溶于奥氏体的合金碳化物，进而阻碍奥氏体晶粒长大，起到细化奥氏体晶粒功效。另外，回火工序阶段，因H13钢含有较多碳化物形成元素（Ti、V、Mo），当回火温度高于500℃时，渗碳体溶解，形成细小、弥散分布的合金碳化物。合金碳化物的弥散析出可使H13出现二次硬化现象。

二、H13模具钢生产关键技术

（一）严格控制成分

国标、美标、德标、日标对H13钢的化学成分范围要求均较宽，不便于用户控制热处理，对杂质元素的要求也较松。为稳定其内部质量，我们严格H13的内控成分范围，C、Si、Mn、Cr、Mo、V等均窄范围控制。资料表明[2]，钢中杂质元素的降低有利于提高钢的各项性能，而且北美压铸协会标准NADCA207-90规定：优级（premium）H13钢含硫量小于w（S）≤0.005%，而超级（superior）H13钢w（S）≤0.003%、w（P）≤0.015%。莱钢高品质H13钢中P、S内控范围分别在0.015%和0.003%以下。

（二）钢水高洁净度控制技术

钢中的非金属夹杂物是模具钢内部产生裂纹的起源，采用真空脱气的冶炼工艺，降低钢中的氢、氧、夹杂物含量，在线检测钢中的[H]≤1.5×10-6、[O]≤5×10-6。电渣重熔的冶炼工艺能够进一步提高钢的纯净度，采用多元渣系可使钢中夹杂物被吸附去除。有资料介绍，钢中的残余有害元素致使钢材产生红脆性表面裂纹和具有回火脆性倾向，并使耐热钢的热强性降低。镍含量高，制成模具后挤出的铝材表面质量不好；铜含量高，制作模具后，心部易出现塌模，达不到用户要求的使用周期。因此，应从源头就对残余有害元素加以有效控制，莱钢模具钢冶炼配料要求加入50%左右的优质铁水，稀释钢中残余元素Ni、Cu等，解决了全废钢冶炼无法避免的残余元素高的问题。

（三）细晶粒控制技术

提供锻造优质钢锭。电渣过程选择合理渣系，优化调整电渣过程熔速，使电渣锭满足YB/T036.10-92探伤要求，Υ2mm以下无缺陷。电渣锭缓冷后进行合理的高温均质化处理，改善碳化物的偏析程度，使共晶碳化物数量减少、颗粒变小、成分更加均匀。优化锻造工艺。不同锭型、锻材截面采取不同锻造工艺，墩粗———拔长或两镦两拔工艺，最终目的是为了闭合钢锭径向缺陷并获得较高的等向性能，保证锻材内部组织均匀、晶粒度达到7级或更细。

为了使锻后组织进一步均匀化，提高塑性、调整晶粒度，锻材还需进行正火+球化退火处理，得到球状珠光体+弥散分布粒状碳化物的原始组织，为调质处理做组织准备。

（四）六面锻造技术

为保证钢材横、纵向冲击韧性比达到0.8，采用多次镦拔、十字锻打、六面锻造等工艺，根据不同规格三火至五火成材，其锻造工艺如图1所示。

（二）热处理强化

退火态的H13主要组织为珠光体，其性能还达不到模具工作的要求，必须对其进行淬火-回火热处理强化，以提高其整体性能。淬火阶段，把钢材加热到奥氏体化温度以上，再以较大的过冷度冷却钢材，以获得淬火马氏体组织。回火阶段，把钢材重新加热到奥氏体化温度以下，使淬火马氏体组织转变成回火马氏体组织，以提高钢材的综合性能。

（1）淬火阶段

奥氏体的形成过程就是在高于奥氏体化温度（Ac1），在铁素体和渗碳体边界处靠渗碳体供碳，形成奥氏体晶核；随着加热温度的增加和保温时间的延长，奥氏体晶粒不断长大，晶粒成分也均匀化。奥氏体晶粒的粗细直接关系到模具的使用寿命。通过对本企业大量的过早失效的模具进行金相分析发现，奥氏体晶粒粗大是导致模具过早失效的重要原因之一。粗大晶粒会降低冲击韧度，降低裂纹扩展功、提高冷脆区域，晶粒越大，钢淬火时开裂和畸变倾向会越大。因此，须对奥氏体晶粒大小进行有效控制。钢的原始组织和加热条件会对奥氏体晶发生影响。片状珠光体的片间距越小，奥氏体形核率越大，起始晶粒越细。片状珠光体组织比球状组织形成的奥氏体起始晶粒粗。奥氏体晶粒尺寸随加热温度的升高或保温时间的延长而不断长大。加热温度越大，奥氏体高温下停留的时间越短，则晶粒越细。因此，在淬火阶段，要获得细化晶粒的奥氏体，必须严格控制好加热温度和保温时间。

（2）回火阶段

钢材淬火后，内部会存在较大内应力，而且生成的组织（淬火马氏体、残余奥氏体）也属于亚稳定结构，不能直接使用。后续工序回火的目的就是消除内应力，使亚稳定组织转变成稳定组织。

回火过程中，随着温度的增高，组织的变化可分为四个阶段。第一阶段是70~200℃，淬火马氏体分解成低碳马氏体和ε碳化物，并消除内应力。第二阶段在200~300℃，残余奥氏体分解成马氏体。第三阶段在250℃以上进行，把马氏体和ε相转变成铁素体加渗碳体，随着温度增加发生连续软化过程，渗碳体呈片状析出时会表现出低温脆化现象。第四阶段是含有Cr、W、Mo、V，Ti等碳化物生成元素的合金钢，在约500℃以上置换型扩散自由进行的温度下伴随有温度碳化物析出和长大的变换。此外，除Cr外，这些碳化物微粒析出时使晶格畸变，或因为位错被钉住，钢再度硬化（二次硬化）。

C、Mn、Cr的含量越多，淬火温度越高和冷却速度越慢，则残余奥氏体量就越多。过多的残余奥氏体会降低淬火硬度，使用中因时效变形（转变成马氏体）而发生脆化。一般的一次回火并不能使残余奥氏体降低到合理水平，在实际生产中，采用二次回火，回火温度通常为590℃左右，风冷。由于马氏体是在快速冷却下形成的，所以每次回火结束后风冷，以形成温度梯度，使残余奥氏体更彻底地进行转变。二次回火后，工件硬度保持在HRC47-50便可保证其性能满足要求。

四、质量检验

为准确了解钢材质量，随机在商品材上进行取样分析，并同时取了瑞典8407、德国1.2344和国内某厂的H13进行对比分析。

（一）化学成分

对于化学成分，国内各大钢厂的控制水平基本接近国外水平，国内钢厂模具钢成分控制存在的主要问题是有害元素磷、硫控制不稳定，莱钢H13钢中磷、硫含量达到国外控制水平，有害残余元素镍、铜控制较好。国内外H13钢的化学成分见表1。

由表3可以看出，在相同热处理工艺下，莱钢和ASSAB8407的钢样横向冲击韧性较高。

总结

就铝型材企业而言，模具的优劣直接影响了挤压铝型材产品的质量，而模具的质量又与其选材息息相关。因此，对于模具加工厂，乃至铝型材企业，模具钢材料的质量控制是至关重要的，它影响着模具的使用寿命、产品质量与生产效益等。

参考文献：

[1]高品质H13模具钢质量研究与分析_王淑华

[2]H13模具钢轧制实践与质量控制_王刚

[3]H13模具钢的质量控制与优选_刘允棠