鋁型材擠壓機用鋼H13鍛材的研制
摘要： 東北特殊鋼大連基地利用本身設備及技術優勢，開發出一系列生產工藝，試制出滿足北美壓鑄協會NADCA207優質鋼標準要求的ф140-800mm鍛造棒材，經過用戶鑒定滿足使用要求，特別是Ф600-800mm直徑的棒材半徑二分之一處的球化組織也完全滿足該標準的要求，為技術上的一大突破。
關鍵詞： H13;鋁擠壓用鋼;顯微組織
引言
由于擠壓鋁材時溫度在450-480℃左右，擠壓壓力高達2000MPa以上，因此對使用的模具材料要求十分苛刻。特別是近年來隨著鋁擠壓制品異型化、大型化以及大型擠壓機的(2.5萬噸)的投產，對模具材料的質量要求越來越高，規格也越來越大。為降低成本、滿足一腔多模的要求，一些鋁擠壓模具廠將直接用于制作模具的規格增大，并提出棒材退火組織達到NADCA207-2003中AS1-AS3，BS1-BS2的質量水平。
1、國內試制現狀
以往國內生產的高質量H13棒材極限規格為650mm，大規格模具均采用進口或小規格鍛質棒材鐓粗鍛造而成，增加了生產成本和周期。東北特殊鋼集團大連基地在利用本身設備優勢，經過近一年的工藝開發及研究，試制出最大直徑為800mm的高檔次模具用鍛造H13棒材，經過用戶檢驗完全滿足使用要求。特別是600-800mm直徑的棒材球化組織也完全達到NADCA207標準AS1-AS3，BS1-BS2水平，為技術上的一大突破。
2、試制工藝
2.1 試制工藝路線 轉爐+精煉+連鑄+電渣+鍛造+超細化處理+球化處理。
2.2 化學成分的控制 根據各元素對鋼材性能的影響，控制C在中限、Si、Mn在中上限、S≤0.003%，改善縱橫向性能比，P≤0.015%，Mo、Cr在中上限，改善沖擊和抗疲勞性能，V中下限，控制鋼的韌性和偏析水平。特別是有意將影響模具壽命的Cu元素控制在0.020%以下。
2.3 連鑄坯冶煉控制 冶煉時采用轉爐鐵水，去除有害元素P、Cu含量，加強控制鋼中的脫氧，脫硫，并經過真空處理，去除鋼的氣體N含量，降低鋼中夾雜物水平。完成了連鑄上臺溫度、連鑄的拉速、二冷水，電磁攪拌和輕壓下工藝的最優配合，減少連鑄坯的偏析。
2.4 電渣 分析了不同規格連鑄坯質量，選取了小規格連鑄坯作為電極坯料，減少了電極坯料的偏析程度，控制合適的充填比、渣系、渣量和溶化速度。東特大連的電渣采用恒溶速，一只電極坯料對一只電渣錠，不存在交換電極問題，因此電渣錠的質量穩定，組織偏析微小，為后期加熱擴散控制奠定基礎。
2.5 鍛造
2.5.1 高溫擴散技術的應用 電渣時鋼錠的選分結晶結果導致鋼材存在帶狀和一次碳化物，容易造成應力集中，引起模具的早期開裂。采用高溫擴散技術能使碳化物分解熔入周圍基體中，并減輕帶狀偏析程度。椐資料介紹[1]，H13鋼經高溫均勻化，其沖擊功均較未擴散處理的試樣高1倍以上。生產中我們經過反復試驗研究，確定了該鋼種的高溫擴散工藝，達到了良好效果。
2.5.2 鍛造方法的研究 進行了拔長、一次鐓拔、多次多向鐓拔試驗和不同壓下變形率配合試驗等鍛造方法研究，最終確定了鐓拔+變形率相結合的生產工藝。鋼材經過高溫擴散+鐓拔滲透變形得鍛造工藝，可保證最終組織均勻一致。尤其大于450mm-800mm直徑的棒材由于采用東特大連獨有的80MN壓機進行大壓下的鐓拔，變形充分，對組織的破碎十分有效。
2.6 超細化及球化處理 在細化處理時根據鋼種的特點，結合相圖進行控制，既消除網狀，細化組織，又防止裂紋。經過精心計算，確定合適加熱溫度，使碳化物部分溶解，這樣保有部分未溶碳化物，利于球化處理[2]。其次對冷卻環節進行嚴格控制，使內部溫度盡快返到外部，保持內部溫度快速降低。經過各規格的生產試制取得了良好的組織細化效果。關于球化處理，有資料介紹[2]，當原始組織為馬氏體或貝氏體時，這樣更有利于球狀碳化物的形成。對于大規格600-800mm的棒材生產確定了一套特殊的超細化及球化工藝，保證了球化質量。
3、試制結果
3.1 化學成分 鋼的化學成分見表1。值得注意的是，東北特殊鋼采用轉爐鐵水煉鋼，因此鋼中的N含量、Cu含量都很低，Cu含量達到最小0.09%，最高0.12%，平均為0.10%，這降低了模具鋼的室溫脆性;而采用轉爐鐵水煉鋼可保證低的氮含量范圍在80-130ppm，氧含量≤15ppm，明顯降度鋼中的B類和D類夾雜物。從成分看，鋼的P、S水平都達到了國內先近水平，但與瑞典8407還有一定差距。
3.2 冶金質量水平
低倍組織、夾雜物水平見表2，可見，鋼的低倍組織均勻一致，夾雜物水平基本在0-0.5級左右。對成品半徑二分之一處退火組織進行觀察，結果如圖1所示，由500X顯微組織來看，800mm材料整體的珠光體球化效果都達到了北美壓鑄協會優質鋼的標準NADCA207-2003熱作模具鋼退火組織的合格標準，見圖1所示。與瑞典8407的珠光體碳化物顆粒的均勻性相當。國內其他廠家優質H13部分區域受組織遺傳性的影響，粒狀珠光體呈區域性的針葉狀。因此，大連基地生產的800mm直徑棒材組織已經完全達到了國外先進水平300mm直徑的棒材組織，這是東特大連獨特之處。
3.3 鋼材的橫向性能 對棒材通過鋼材半徑二分之一處切取7mm×10mm的無缺口試樣(每批取3個試樣)進行橫向沖擊檢驗，在保護性介質中調質使試樣硬度在45±2HRC，然后再WE-100萬能試驗機上進行室溫沖擊試驗，試驗結果發現，隨著棒材直徑的增大沖擊功下降，在300mm以下棒材沖擊功大于250-300J，但大規格的棒材沖擊值不斷降低，在620mm直徑時，沖擊值為147J，這也較國內其他優質鋼高出20J。
3.4 批量生產及用戶使用的反饋情況 采用以上高純度、低偏析的冶金質量控制、高溫擴散技術應用、鍛后組織細化處理及球化工藝控制，大連基地生產了幾百批次，規格以300-800mm直徑為主，產出材2000余噸，目前均已經交付用戶使用，據用戶反饋鋼材完全可以滿足使用要求。
4、討論及未來改進方向
從表1可知，目前大連生產的H13鋁擠壓棒材化學成分控制得當[3]，雜質含量低，S、P均可達到國內優質鋼的水平，與瑞典8407的水平接近，Cu、N元素目前在國內也屬于領先水平。從表2可見，鋼中低倍質量良好，夾雜物的含量基本與瑞典8407的水平相當，這都為優質模具提供了基礎保證。
對于鋁擠壓機用鋼H13來說主要用于制作擠壓機的導流模、模芯、支撐模，不同部位對材料有不同的要求，以往大規格棒材被直接使用的情況不多，常常被改鍛后制造模具，但目前對大規格棒材直接作模具的情況越來越多。而鋼材的調質后的組織如何直接關系到鋼材的使用壽命。我們經過電鏡分析，發現通常調質后高壽命的8407表現為較小的解理斷口[3]，國內鋼材的解理斷口略粗。那如何才能形成較小的解理斷口呢?認為主要是需要碳化物曾現均勻而且顆粒成球。要想達到如此的球化效果，需要采用以上提到各種工藝的優良配合。
在瑞典8407中一般很少能看到夾雜物，而影響模具壽命的第二原因就是鋼中的夾雜物[4]，目前就國內鋼材來說，夾雜物普遍達不到8407水平，大連基地的夾雜物也略高于8407。電鏡還發現鋼中夾雜含有Al、Si、Ca等元素，而且夾雜物顆粒十分細小，在檢驗中難以發現，卻成為斷口沖擊值低下的原因，因此如何提高國內超純凈鋼是提高國內高檔次模具鋼的關鍵。另外，鋼中的存在的共晶碳化物(主要是V的碳化物)是損害模具壽命的另一大危害。如果這些碳化物在高溫擴散階段沒有擴散溶解，那么在后期的調質加熱時因為其失去了與Cr共同擴散的機會，單獨很難完成擴散[1]，這種碳化物的作用相當于夾雜物，嚴重降低鋼的沖擊任性，損害模具壽命。因此目前生產采用的高溫擴散是十分必要的。
因此對于國內優質鋁擠壓模具的發展方向是如何降低鋼中夾雜物含量、消除一次碳化物和做好球化組織的精細化工藝研究。
5、結論
5.1 東北特殊鋼大連基地采用電渣+高溫擴散+多面鍛造+超細化處理與球化工藝相結合生產的H13大規格棒材工藝穩定，可以批量供貨。經過用戶使用完全滿足用戶使用要求。
5.2 東北特殊鋼大連基地生產的直徑?準140-800mm的H13棒材，質量達到了國內先進水平和國際水平。尤其600-800mm在半徑二分之一處的組織也完全滿足該標準要求，為技術上一大突破。
參考文獻：
[1]李彥初，趙英亮，陳輝等.美標H13熱作模具鋼的鍛造工藝優化[J].山東冶金，2011，33(5)：59-61.
[2]郭加林，項勝前.鍛后退火態H13鋼的顯微組織分析[J].材料研究與應用，2001，5(3)：225-228.
[3]潘曉華，朱祖昌.H13熱作模具鋼的化學成分及其改進和發展的研究[J].模具制造，2006(4)：78-85.
[4]陽燕，劉建華，包燕平.熱作模具鋼H13的非金屬夾雜物研究[J].鋼鐵，2011，46(9).
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