热作模具钢热处理工艺研究

王维宁 赵学文 赵凯兵

(1.齐齐哈尔理工职业学院，黑龙江161042；2.中国一重集团有限公司铸锻钢事业部，黑龙江160142)

H13热作模具钢是目前应用最广泛的热作模具钢的典型钢种之一，主要用于铝合金压铸模、热锻压模和热挤压模。H13钢对应国产牌号为4Cr5MoSiV1。H13钢中含有大量的Cr、Mo、V等合金元素，具有高热强性、耐热性和淬透性[1]。H13钢的球化组织级别是评价H13钢质量等级的主要指标，标准SEP 1614：1996和NADCA 207：2003是评价组织的重要参考依据，通过比对实际组织与评级标准图谱来判断组织优劣程度，良好的退火组织也是获得H13钢高韧性的必要条件，而热处理工艺参数是决定组织与性能的关键因素。

随锻件直径增大，获得优良组织的难度也随之增加。为巩固和扩大H13热作模具钢的市场，对最大直径∅1000 mm电渣重熔热作模具钢H13锻件进行生产试制，根据试制结果，制定的系列热处理模拟试验确定了保证组织级别的热处理优化工艺方案，消除了碳化物偏析，细化和均匀了碳化物进而提高了组织级别。

1 技术要求

1.1 交货方式

球化退火状态交货。

1.2 化学成分

化学成分见表1。

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions(mass fraction,%)

1.3 冶炼方法

电炉+真空精炼+电渣重熔。

1.4 锻造

锻造采用镦粗+拔长工艺，镦粗比≥2，总锻比≥6。

1.5 硬度

球化退火硬度要求≤228HBW，同一根钢棒不同部位的硬度偏差不得大于30HBW。

1.6 显微组织

在棒材心部取样，500倍下检验退火显微组织，按SEP 1614:1996标准评级图进行评定，GA1、GA2、GA3、GA4、GB1、GB2、GB3、GB4、GC1、GC2、GD1为合格级别。

1.7 晶粒度

试样在保护性介质中经1030℃±10℃，保温30 min，然后快冷淬火，≥590℃回火。晶粒度合格级别按GB/T 6394—2017标准评级≥7级。

1.8 横向冲击试验

钢材应检验心部横向冲击，采用7 mm×10 mm×55 mm的无缺口试样。试样尺寸偏差7 mm±0.100 mm、10 mm±0.100 mm、55 mm±1.00 mm。试样经1030℃保温30 min，油冷，至少回火两次，保证硬度45HRC±2HRC。心部横向无缺口冲击吸收能量按一组三个试样取平均值计算，冲击吸收能量平均值≥220 J，并允许其中一个试样单个最小值≥170 J。

2 热处理试制过程及结果分析

2.1 热处理试制工艺

图2 试制的显微组织Figure 2 Microstructure of trial production

公司首次制造H13电渣重熔热作模具钢，无可借鉴的经验，试制工艺按公司现有热处理规范执行，见图1。

图1 热处理试制工艺Figure 1 Trial production process of heat treatment

2.2 试制结果

试制结果见表2。

表2 试制结果及判定Table 2 Trial-production results and judgment

2.3 试制结果分析

热处理试制后硬度、晶粒度和冲击吸收能量均合格，而显微组织GC4级不合格，说明热处理试制工艺满足不了H13钢的技术要求。组织不合格主要表现在局部显微组织存在网状碳化物、带状碳化物和链状碳化物以及碳化物大小和形态分布不均匀。网状、带状及链状碳化物通常能够遗传到钢的球化和回火状态中，对锻件的心部横向冲击韧性会造成影响，其产生的主要原因是未对等温退火前的组织进行预处理，不均匀的锻后组织保留了下来[2]。碳化物分布不均的主要原因是球化工艺参数不合理造成的。

3 优化热处理工艺方案

3.1 成分内控方案

H13钢是一种空冷硬化热作模具钢，含有大量的Cr、Mo、V等元素，属于过共析钢。根据各元素对H13钢性能的影响制定成分内控方案(见表3)，C控制在中限，Si、Mn控制在中上限，P≤0.010%、S≤0.003%，较低的P、S含量可改善横向冲击性能，Cr、Mo在中上限，V中下限，用于控制钢的韧性和偏析水平，另外采用电渣重熔的生产方式对控制H13钢纯净度、组织均匀性等具有很重要的作用，是生产高品质H13的重要环节。

3.2 热处理工艺方案制定

为制定出合理的H13钢锻后热处理工艺，根据H13钢相变点及转变曲线制定出多组热处理工艺模拟参数，并根据模拟结果制定出优化的热处理工艺方案，见图3。

图3 优化后的热处理工艺Figure 3 Optimized heat treatment process

优化热处理工艺采用较高的正火预备热处理+球化退火，该工艺与试制工艺相比，主要优化方面有：

(1)增加1020～1040℃高温正火预备热处理。正火高温段为组织的均匀化和碳化物溶解过程，用于溶解锻件中的网状、带状和链状碳化物和消除碳化物的不均匀性，特别是沿晶链状碳化物充分溶入奥氏体。H13钢在该温度保温较长时间并不发生晶粒粗化现象，同时使得原始组织中碳化物部分溶解，并保留一部分未溶碳化物质点，有利于后续球化处理。

图4 试制的显微组织(×500)Figure 4 Microstructure of trial production(×500)

高温正火后冷却方式为吊下台车空冷，正火空冷不至于使得坯料在冷却过程中因内应力产生裂纹，空冷时单独散开摆放使锻件内部温度尽快返到外部，保持内部温度快速降低，同时封炉冷和低温保持段使得部分溶解进基体的合金碳化物重新析出。

(2)球化等温退火由730℃±10℃降为720℃±10℃且不得超过730℃，并适当延长保温时间。H13钢的球化退火主要是在前一过程中形成的大量均匀分布的合金碳化物质点的前提下，延长保温时间可在基体上均匀分布更多球状小颗粒Fe3C或碳化物。球状碳化物的颗粒越小，分布越均匀，越容易获得良好的球化组织。等温温度超过730℃时，碳化物有粗化倾向。

3.3 生产过程管控

热处理时合理装炉，保证炉内锻件温度的均匀，冷却时及时吊下单独散开摆放，确保获得最佳的加热和冷却效果。

4 取得的实际效果

4.1 产品结果

热处理优化后的检测结果见表4。

表4 热处理优化后的结果及判定Table 4 Results and judgment after heat treatment optimization

4.2 分析与讨论

经过高温正火预备处理+球化退火的工艺后，硬度、显微组织、晶粒度和冲击吸收能量均合格，∅1000 mm直径H13钢碳化物弥散程度及颗粒尺寸分布有了较大的提高，消除了网状、带状及链状碳化物，退火组织达到GA2级高水平级别，球化效果明显；退火硬度也由180HBW降到165HBW；晶粒度由7级提升为8级；特别是7 mm×10 mm×55 mm的无缺口试样冲击吸收能量由254 J提高至350 J，提高了38%。

5 结论

(1)对于H13热作模具钢，应采用高温正火预备处理+球化退火的锻后热处理工艺，可获得球状珠光体+细小弥散均匀分布的粒状碳化物组织。

(2)H13钢最佳的高温正火温度为1030℃±10℃，最佳的球化等温温度为720℃±10℃。

(3)良好的球化退火组织是获得H13钢高韧性的必备条件。