齐鲁特钢超细化处理H13电渣重熔钢采用三镦三拔锻造工艺

H13（4Cr5MoSiV1）是国际上广泛使用的热作模具钢，它具有较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性、较好的耐热疲劳性能，广泛应用于制造各种锻模、热挤压模以及铝、铜及其合金的压铸模。热作模具钢工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环引起的热应力以及高温氧化，常常出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效形式。

H13热作模具钢的化学成分（质量分数，%）如附表所示。

H13热作模具钢化学成分（质量分数） （%）

其化学成分特点：①中碳，质量分数为0.32～0.45%，以保证高硬度、高韧性和较高的热疲劳抗力。②加入较多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，避免硫在晶界上形成低熔点的FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善H13钢的热加工性能；Cr和Si可以提高回火稳定性。③加入产生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V还能防止第二类回火脆性，提高回火稳定性。

一、失效影响因素

H13钢模具的失效问题是一个非常复杂的技术难题，可以从材料、设计、制造和使用四个方面进行分析。

1.化学成分和冶金质量

H13钢属于过共析合金钢类型，组织中存在较多的非金属夹杂物、碳化物偏析、中心疏松及白点等缺陷，在很大程度上降低模具钢的强度、韧性及热疲劳抗力。优质H13钢由于采用了较先进的生产工艺，钢质纯净，组织均匀，偏析轻微，具有更高的韧性及热疲劳性能。普通H13钢则必须进行电渣重熔后锻造，以击碎大块非金属夹杂，消除碳化物偏析，细化碳化物，均匀组织。

2.模具设计

设计模具时应根据成形零件的材料和几何尺寸确定模块的外形尺寸，以保证模具的强度。此外，过小的圆角半径、壁厚差悬殊的扁宽薄壁截面及孔、槽位置不合适等很容易在模具热处理和使用过程中引起过大的应力集中而萌生裂纹。因此，在模具设计中尽量避免尖角，孔、槽位置应合理布置。

3.制造工艺

（1）锻造工艺

H13钢中合金元素含量较多，锻造时变形抗力较大，且材料的导热性能较差，共晶温度较低，稍不注意就会过烧。因此，加热时应在800～900℃区间预热，然后再加热至始锻温度1065～1175℃。为击碎大块非金属夹杂，消除碳化物偏析，细化碳化物，均匀组织，锻造时要反复镦粗拔长，总锻比大于4。在锻造后的冷却过程中，有产生淬火裂纹的倾向，易在心部产生横向裂纹。因此，H13钢锻后应进行缓慢冷却。

（2）切削加工

切削加工的表面粗糙度对模具热疲劳性能有很大影响，模具型腔表面应获得较低的表面粗糙度，不能留有刀痕、划伤和毛刺。这些缺陷引起应力集中，诱发热疲劳裂纹萌生。因此，在加工模具时复杂部位圆角半径过渡处要防止留有刀痕，孔、槽边缘和根部的毛刺要打磨掉。

（3）磨削加工

磨削过程中，局部摩擦生热容易引起烧伤和裂纹等缺陷，并在磨削表面生成残余拉应力，从而导致模具过早失效。磨削热引起的烧伤可以使H13模具表面发生回火直至生成回火马氏体，脆性未回火马氏体层会大大降低模具的热疲劳性能。如果磨削表面局部升温达800℃以上，并且冷却不充分时，则表层材料会被重新奥氏体化并淬火成马氏体，因而模具表面层会产生很高的组织应力，同时磨削过程中模具表面温升极快会引起热应力，组织应力和热应力叠加容易造成模具产生磨削裂纹。

（4）电火花加工

电火花加工是现代模具制造过程中不可缺少的精加工手段。火花放电时，局部的瞬时温度高达1000℃以上，使放电处的金属熔化和气化，在电火花加工表面有一薄层被熔化而又重新凝固的金属，其中有许多显微裂纹。在显微镜下这一薄层金属呈白亮色，即白亮层。研究表明，对于高合金化的H13钢，电火花加工形成的表面白亮层的显微组织为初生马氏体、残余奥氏体和共晶碳化物，未回火的初生马氏体存在大量显微裂纹。H13钢模具在工作中承受载荷时，这些显微裂纹很容易发展为宏观裂纹，导致模具易出现早期断裂和早期磨损。H13钢模具经电火花加工后应重新回火，以消除内应力，但回火温度不要超过电火花加工前的最高回火温度。

（5）热处理工艺

合理的热处理工艺可以使模具获得所需要的力学性能，提高模具的使用寿命。但是如果因热处理工艺设计不当或操作不当而产生热处理缺陷，将严重危害模具的承载能力，引起早期失效，缩短工作寿命。热处理缺陷有过热、过烧、脱碳、开裂、淬硬层不均匀和硬度不足等。H13钢模具在服役一定时间后，当积累的内应力达到危险的限度时，应对模具进行去应力回火，否则模具在继续服役时将会由于内应力引起开裂。

4.模具的使用与维护

（1）模具的预热

HI3钢合金元素含量较高，导热性能较差，因此模具在工作前应充分预热。预热温度过高，模具在使用过程中温度偏高，强度下降，易产生塑性变形，造成模具表面塌陷；预热温度过低，模具开始使用时，瞬间表面温度变化大，热应力大，易萌生裂纹。综合考虑后H13钢模具的预热温度确定为250～300℃，既可降低模具与锻件的温差以避免模具表面出现过大的热应力，又有效地减少了模具表面的塑性变形。

（2）模具的冷却与润滑

为减轻模具的热负荷，避免模具温度过高，通常在模具工作的间歇对其进行强制性冷却，由此造成模具周期性的激热、激冷作用将会产生热疲劳裂纹。因此，模具使用结束后应缓慢冷却，否则将会出现热应力，从而引起模具的开裂失效。H13钢模具工作时可采用石墨含量为12％的水基石墨进行润滑，降低成形力，保证金属在型腔中正常流动和锻件顺利脱模；此外，石墨润滑剂还具有散热作用，可以降低H13钢模具的工作温度。

二、失效分析方案

H13钢模具的制造要经历设计、选材、锻造、退火、机加工和热处理等到一系列工艺环节，每一工艺环节的工艺设计不当或工艺操作不当都会造成模具过早失效，降低模具使用寿命。热作模具钢常常出现崩裂、塌陷、磨损和龟裂等失效形式，热作模具钢的失效形式、程度和位置记录了设计、选材、锻造、退火、机加工和热处理等到一系列工艺环节中的重要信息。

观察和分析H13钢模具的失效位置处的宏观形貌特征、显微组织及失效形式，运用金属学、材料物理及断裂力学的理论和方法提示H13钢模具失效位置处的宏观形貌特征、材料显微组织及失效形式与模具设计、选材、加工工艺之间的关系，从而提出科学合理的工艺改进措施。

（1）原材料化学成分和冶金质量分析

提高H13钢的洁净度，特别降低硫含量是提高H13钢模具寿命的有效措施。优质H13钢的硫含量在0.005～0.008%之间。H13钢是合金元素含量较高的过共析钢，在冶炼、铸造时会出现碳化物偏析，钢锭经锻轧后形成粗大的碳化物偏析带。碳化物偏析带和铸造残留的树枝晶、缩孔、疏松和夹杂直接影响H13钢模具的组织及性能，是模具早期失效的重要原因之一。对原材料化学成分和冶金质量的分析可以评定原材料是否合格，从而用来指导制定科学合理的锻造工艺和热处理工艺。

试验方法：对H13钢材原材料进行取样，分析其化学成分，评定其化学成分是否符合要求；从钢材中心部位切取试样，打磨、抛光，采用4％硝酸酒精溶液浸蚀，在光学显微镜上检查显微组织，按国家相关技术标准对碳化物偏析带等级、夹杂物等级做出评定。

（2）模具显微组织分析

显微组织分析可确定模具失效位置是否存在碳化物偏析带，大块非金属夹杂、网状碳化物、共晶碳化物及回火马氏体；微区成分分析可确定模具失效位置的化学成分分布特点；显微硬度分析可确定模具失效位置的力学性能。综合分析模具失效位置处的显微组织、显微硬度和微区成分，揭示模具失效位置处的宏观形貌特征及失效形式的微观机理，正确评价现行的锻造、球化退火，淬火和回火工艺，从而提出科学合理的工艺改进措施。

试验方法：从模具失效位置切取试样，打磨、抛光，采用4％硝酸酒精溶液浸蚀、在光学显微镜或扫描电子显微镜上检查显微组织，在显微硬度仪上测量硬度，在俄歇能谱分析仪上确定微区成分。

三、工艺控制措施

从H13钢的化学成分和组织特点可以看出，热加工工艺对H13钢模具的组织和性能有很大影响，为防止H13钢模具早期失效、延长使用寿命和提高经济效益，必须制定科学合理的热加工工艺。

1．锻造工艺

H13钢合金元素含量高，导热性差，共晶温度比较低，容易引起过烧。对于直径大于Ø70mm的坯料，应先在800～900℃区间预热，然后在始锻温度1065～1175℃加热，锻造时进行多次拔长镦粗，总锻比大于4。  研究人员选用H13电渣重熔钢，分别进行“一镦一拔”和“三镦三拔”锻造加工，从组织、冲击韧性等方面进行对比分析，为明确H13钢锻造工艺的选择提供一定的参考。试验用H13钢锭经电渣重熔工艺冶炼，钢锭化学成分见下面： 始锻温度1180℃，终锻温度850℃，进料量控制在下砧宽的1/3～1/2，镦粗比为3∶1，总锻造比为4∶1；分别进行一次镦粗、拔长和三次镦粗、拔长成形。在钢锭心部取样，观察横向铸态组织。在锻件心部取10mm×10mm×55mm夏比V型缺口冲击试样，试样经调质（1030℃保温30min，并在590℃回火2次，每次2h)处理后，采用JB30B型冲击试验机进行冲击试验，利用JSM-6510型扫描电镜观察冲击断口形貌。锻后退火态金相试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，用Leica DM 2700M型金相显微镜进行组织分析。

2．球化退火工艺

球化退火工艺的目的是均匀组织，降低硬度，改善切削加工性能，为淬火和回火做组织准备。球化退火工艺是在845～900℃保温（1h+1min）/mm，然后炉冷至720～740℃等温（2h+1min）/mm，最后炉冷至500℃出炉空冷，球化退火组织为粒状珠光体，硬度小于229HBS。球化质量可按GB/T1299-2000标准第一级别图进行评定。

3. 淬火和回火工艺

H13钢的最佳热处理工艺是1020～1080℃加热后油冷淬火或分级淬火，然后进行560～600℃两次回火，显微组织为回火托氏体+回火索氏体+剩余碳化物，显微硬度为48～52HRC。对于要求热硬性高的模具（压铸模）可取上限加热温度淬火。对于要求韧性为主的模具（热锻模）可取下限加热温度淬火。

4. 综述

H13钢是一种空冷硬化型热作模具钢，具有高淬透性、韧性及优良的抗热疲劳性能，是当今世界范围内使用最广泛的热作模具钢之一。在服役状态下，热作模具材料需承受冲击载荷及冷热交替作用，常因强度及韧性不足，尤其是横向韧性差而导致早期失效。因此，改善热作模具钢的显微组织，提高其冲击韧性，可显著提高模具的使用寿命。目前，国内外针对H13钢的研究多集中在相变动力学、热处理工艺等方面，而针对锻造工艺对H13钢组织及性能影响的研究并不多见。

 试验结果表明：（1）与一镦一拔比，采用三镦三拔工艺后，H13钢的显微组织明显改善，晶粒细化，带状偏析显著减少，碳化物分布更均匀，材料的横向冲击性能显著提高。（2）H13钢的横向冲击性能提高主要与细晶增韧、带状偏析、沿晶碳化物减少以及碳化物分布更加均匀，从而弱化了裂纹萌生的倾向性等因素。（3）三镦三拔工艺可以显著改善H13钢的组织，提高冲击性能。因此，三镦三拔比一镦一拔更优越。