不同冶炼方式下的H13的锻造生产及组织性能对比

     目前在我国，高端H13 热作模具钢主要依赖于国外进口，比如瑞典一胜百、德国葛利兹、日本大同等知名企业。其主要原因是国产模具钢存在组织均匀性较差、碳化物偏析严重、粗大，致使模具热疲劳性能较差，模具使用寿命短。随着新能源汽车的快速发展，急需高热疲劳性、高使用寿命的铝压铸模具钢材。通过采取高温扩散均质化处理、三向锻造、锻后细晶化及球化退火处理，可明显改善显微组织的均匀性，减少碳化物偏析，提高模具的抗热及抗疲劳韧性，大幅度提高模具使用寿命，使产品达到同类进口材料的水平。
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原材料的冶炼  

   H13（对应国标4Cr5MoSiV1)，其执行标准为GB/T1299—2014。此次试验选取两种冶炼方式下的H13原材料进行生产对比。冶炼方式1：电炉冶炼+ 炉外精炼+ 真空脱气+ 连铸+ 保护气氛电渣重熔。冶炼方式2：电炉冶炼+ 炉外精炼+ 真空脱气+ 模铸。具体成分如表1 所示。

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均质化加热锻造

    两种冶炼方式下，选取6 t 气体保护电渣重熔钢锭及6 t电炉精炼钢锭进行锻造生产，同炉次生产直径为450mm的锻圆。加热采用天然气室式加热炉进行钢锭的加热，加热曲线设定为阶梯式加热，确保钢锭的充分加热以减轻钢锭组织热应力，使加热均匀，组织转变均匀。同时提高加热温度，并延长高温段的保温时间，以使原料中心的金属碳化物偏析进行均匀扩散，有效改善原始钢锭的锭型偏析。由于H13 钢种合金含量较高，碳化物偏析比较严重，采用高温均质化锻造可有效改善这一原始缺陷。大量生产试验数据表明，高温均质化可明显改善锻件的带状偏析。加热工艺曲线如图1 所示。

   
使用4000t 油压机对其进行锻压生产，采用三向锻造、宽砧压下的锻压方式。镦粗过程采用镦粗板,注意控制钢锭锭身的表面折叠及裂纹。纵向拔长时起始锻压变形量控制在10%，控制每道次接砧量在200~300 mm。待第一道次变形完成，加大道次压下量至20%左右，进行大压下变形。采用小十字交叉的变形方式，通过该变形方式可充分保证坯料芯部的变形渗透，使钢锭中心偏析的碳化物组织充分破碎并改变形态，焊合材料内部的原始组织缺陷，同时确保每个方向都有大于2 的变形比。控制最后一火次的返炉时间及变形量，有效防止组织晶粒的长大。控制终锻温度≤800 ℃，预防粗大晶粒组织的遗传，为后续热处理提供优良的基体组织。
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锻 后 细 晶 化+球 化 退 火

   锻后采取快速冷却的方式，可明显减轻锻造后的组织遗传及混晶现象。通过细晶化+ 球化退火的工艺（见图2）可得到优质的球化退火组织。    
细晶化的工艺实质就是“高温固溶+ 碳化物时效析出”，以实现微观组织和碳化物的双细化。参照H13钢的过冷奥氏体曲线，可以得出H13 钢的临界温度在略高于Ac1（860 ℃）以上的温度进行奥氏体化保温，保留小部分碳化物不溶解，作为球化退火的晶核；奥氏体保温完成后，快速冷却至300~350℃（表温），保证了较好的晶粒（和较多的）自发形核的核心，然后升温至等温球化温度；为了使球化完全，使大部分奥氏体转变，在Ar1 温度以下适当保温，进行等温球化处理，然后以一定的速度冷却。若冷却速度过快，首先不利于球化组织形成，其次，形成的碳化物及其组织细小，但是硬度偏高，不利于后序机加工的进行；反之，如果冷却速度过慢，容易使碳化物长大，金相显微组织非常差。通过细晶化处理，有效减少了二次碳化物的数量，避免了网状碳化物的形成，为随后时效过程的碳化物颗粒大小一致且弥散分布打下了基础。锻后采取及时淬水的冷却方式，可以有效地改善晶粒粗大的出现，切实可行的球化退火工艺可使碳化物细小、均匀地弥散于晶界内。
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组织性能  

4.1 带状组织

   在锻件端部相当于钢锭头部端取试样片，在其心部50倍下检验带状偏析，按照SEP 1614 标准评定级图片评级，检查结果显示，电渣重熔锭生产的锻圆带状组织、偏析可达到优质级别；电炉锭生产的锻圆只能达到标准合格级别。

4.2 球化退火组织（金相）   对横截面中心位置进行显微组织检查，结果表明，按电渣重熔锭生产的锻圆晶粒细小，碳化物弥散均匀，组织为均匀的球状碳化物组织，按NADCA#207—2003 标准评级为AS2—AS4，电炉锭生产的锻圆组织珠光体分布不均匀，组织存在枝晶偏析，按NADCA#207-2003 标准仅评级为AS7—AS10。

4.3 横向冲击试验（奥氏体晶粒度）   在材料直径1/2 位置（中心）处取样进行横向、纵向冲击试验，采用7 mm×10 mm×55 mm无缺口试样。试样在1 030 ℃±10 ℃条件下至少保温30 min 后淬火，≥590℃回火2次，并检查硬度值（HRC）。取5个试样，去掉冲击最高、最低值，三个冲击平均值试验结果为实测值。使用WEW-300B 型冲击试验机进行横向（无缺口冲击）试验,缺口冲击检验结果如表2 所示。

   
对试样进行晶粒度检测，结果表明，电渣重熔锭锻件的奥氏体晶粒度可以达到9 级以上，而电炉锭锻件的晶粒度仅达到5 级，检验结果如图3、图4 所示。
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结 论

1）试验表明，不同冶炼方式下的H13 钢锭及电渣重熔钢锭，经过均质化、锻造、细晶化后的金相、带状偏析有所不同，电渣重熔后的材料晶粒度及带状偏析明显优于电炉锭，且参照北美压铸协会NADCA#207—2003 标准进行金相组织评级，电渣重熔后的金相组织级别明显优于电炉锭的金相组织级别。

2）不同冶炼方式下的H13 锻圆，在中心取样，经过调质热处理后，无缺口冲击韧性值及组织晶粒度有明显差别，电渣重熔锭生产的锻圆等向性明显优于电炉锭，组织晶粒度及其液析碳化物也有明显差距。

此文章转发自公众号阿斯米。