鋁擠壓熱作模具優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸性能研究

作者：馬 野， 馮淑玲， 牟 風(fēng)， 燕 云， 康愛軍（撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心 ）
 
 
【摘要】介紹了鋁擠壓技術(shù)的發(fā)展和基本工作原理， 撫順特鋼通過電爐＋電渣重熔、 精快鍛聯(lián)合成材生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁擠壓熱作模具用優(yōu)質(zhì)H13鋼， 研究了鋁擠壓熱作模具用優(yōu)質(zhì)H13鋼的高溫力學(xué)性能。結(jié)果表明， 優(yōu)質(zhì)H13鋼經(jīng)熱處理后硬度可以達(dá)到44～46HRC， 在室溫下抗拉強(qiáng)度達(dá)到1,601N/mm 2 。隨環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度隨之降低，在環(huán)境溫度升高至700℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度降低至315N/mm 2 。通過斷口SEM分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口為韌性斷裂， 從微觀形貌屬于微孔聚集型斷裂， 說明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力較強(qiáng)。
 
關(guān)鍵詞：鋁擠壓；高溫性能；顯微組織；掃描電鏡
 
1 引言
 
鋁是地殼中分布最廣， 儲量最多的元素之一， 占地殼總重量的8.2%。在人類應(yīng)用的金屬材料中， 鋁材的消費(fèi)量僅次于鋼材， 居第二位， 因此， 鋁工業(yè)成為現(xiàn)代社會的重要支柱工業(yè)之一。鋁材主要包括板、 帶、箔、 管、 棒、 型、 線、 鍛件及粉等， 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軌道交通、 汽車、 電子、 建筑等行業(yè)。中國鋁工業(yè)、 鋁加工工業(yè)發(fā)展迅速， 2018年中國企業(yè)鋁產(chǎn)量約5,700萬噸，占世界產(chǎn)量的59%， 穩(wěn)居世界第一位。
 
2 鋁擠壓簡介
 
鋁擠壓是鋁材主要的加工成形方法， 中國是鋁擠壓材生產(chǎn)和消費(fèi)大國， 鋁擠壓材的生產(chǎn)和消費(fèi)總量居世界榜首。
 
鋁擠壓技術(shù)是根據(jù)塑性變形原理， 利用裝在壓力機(jī)上的模具， 通過凸模和凹模對鋁材錠坯施加壓力，使錠坯料在一定的速度下產(chǎn)生塑性變形而制得所需形狀、 尺寸及一定力學(xué)性能的零件。按錠坯的加熱溫度， 擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓是將錠坯加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行擠壓， 冷擠壓是在室溫下進(jìn)行擠壓。鋁擠壓技術(shù)及設(shè)備包括：熔鑄、 擠壓及擠壓模具、 表面處理、 深加工以及各個(gè)相關(guān)輔助裝備。擠壓材生產(chǎn)中擠壓是核心， 擠壓機(jī)是其主要設(shè)備， 模具為主要工具 [1] 。
 
擠壓鋁合金型材時(shí)， 鋁擠壓模具的性能和質(zhì)量決定了鋁型材的品質(zhì)、 成本、 生產(chǎn)效率和交貨期， 因此鋁擠壓模具的材料選擇、 設(shè)計(jì)、 加工、 熱處理與正確使用就成為鋁擠壓產(chǎn)業(yè)的核心問題。鋁型材的擠壓過程是一種高溫、 高負(fù)荷的加工作業(yè)過程， 鋁擠壓模具需要承受極其嚴(yán)酷的使用條件：①鋁擠壓模具承受高溫作用， 表層溫度可達(dá)540℃；②鋁擠壓模表層被反復(fù)加熱和冷卻， 產(chǎn)生熱疲勞；③擠壓鋁合金， 最大擠制壓力可達(dá)800MPa以上， 模具須承受很高的壓縮、 彎曲及剪切應(yīng)力作用。
 
因此適用于鋁擠壓模具的材料應(yīng)至少具備3項(xiàng)基本性能: ①高溫下具備高的屈服強(qiáng)度和硬度， 從而具有良好的抵抗塑性變形的能力；②優(yōu)異的斷裂韌性，對裂紋的形成和擴(kuò)展具有良好的抵抗能力；③高回火抗力， 不會因長時(shí)間處于高溫環(huán)境下而明顯軟化。綜合上述要求， 國內(nèi)外普通使用中合金鉻系熱作模具鋼H13制造鋁型材擠壓模具， 使用效果令人滿意。鋁擠壓模具是在高溫高壓環(huán)境下作業(yè)， 并要承受周期載荷的作用， 因此對模具鋼的性能要求相當(dāng)高，一般制造鋁擠壓模具的材料應(yīng)具有較高的熱穩(wěn)定性、熱疲勞性、 熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內(nèi)常采用3Cr2W8V鋼制造鋁擠壓模具， 但它的韌性低， 抗疲勞強(qiáng)度不好， 即使采用高溫淬火等工藝處理措施亦不能滿足要求， 模具使用中的早期失效十分嚴(yán)重， 近年來已被H13鋼取代 [2] 。與3Cr2W8V鋼相比，H13鋼具有以下兩個(gè)突出特點(diǎn):①有良好的高溫綜合性能和較高的熱疲勞抗力；②組織中含有較多的Cr、 Mo元素，氮化處理時(shí)能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并彌散分布。因此就延長鋁擠壓模具使用壽命而言， 選用H13鋼加工鋁擠壓模具還是比較合適的。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明， 用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同種鋁擠壓模具， 前者的使用壽命是后者的3～5倍。
 
3 高溫力學(xué)性能
 
3.1 試驗(yàn)材料與試件
 
撫順特鋼在熱作模具鋼H13的基礎(chǔ)上， 適當(dāng)調(diào)整C、 Cr、 Mo、 V等合金元素的含量， 通過優(yōu)化冶煉和加工工藝生產(chǎn)出專用鋁擠壓模具用鋼優(yōu)質(zhì)H13 （見表1） 。
 

 
采用電爐＋電渣重熔冶煉方法控制非金屬夾雜物及減少成分偏析， 采用 2,000MN 快鍛機(jī)開坯＋1,000MN精鍛機(jī)成材的成型工藝， 生產(chǎn)規(guī)格 ? 200mm成品圓鋼。鋼材退火后硬度≤229HB， 其化學(xué)成分、非金屬夾雜物和超聲波探傷滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。表2為優(yōu)質(zhì) H13 鋼的非金屬夾雜物級別 （評級按 ASTME45標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)） 。
 

 
從表2可以看出， 通過電爐＋LF＋VD＋電渣冶煉工藝生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)H13鋼中各類夾雜物粗系均為0級，氧化物、 硫化物夾雜細(xì)系為1.0級， 純凈度滿足要求。優(yōu)質(zhì)H13鋼的力學(xué)性能試樣取自圓鋼橫向截面中心處。試樣尺寸為 ? 5mm長度70mm （機(jī)加工的圓形橫截面直徑尺寸公差為±0.05mm） ， 試樣具體尺寸如圖1所示。
 

圖1 拉伸試樣
 
 
3.2 試驗(yàn)過程
 
按GB/T228規(guī)定檢測室溫拉伸性能， 按GB/T4338規(guī)定檢測高溫拉伸性能。采用TH300型洛氏硬度計(jì)、INSTRON4483型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)及DDL150型高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測試樣硬度及力學(xué)性能， 采用金相顯微鏡和EOX 18型掃描電子顯微鏡 （SEM） 進(jìn)行組織及斷口形貌觀察和分析。
 
優(yōu)質(zhì)H13鋼試樣經(jīng)熱處理后， 硬度值達(dá)到44～46HRC。環(huán)境溫度由箱式加熱爐加熱到規(guī)定的溫度，然后保溫 30min。試驗(yàn)溫度依次為室溫（25℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 其中溫度偏差在±3℃。
 
 
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
 
表3給出了7個(gè)試樣的室溫拉伸和高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出優(yōu)質(zhì)H13鋼屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律， 如圖2所示。
 

圖2 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸性能
 
 
從表3中的數(shù)據(jù)可以看出， 在室溫下優(yōu)質(zhì)H13鋼抗 拉 強(qiáng) 度 達(dá) 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 鋼 的1,400N/mm 2 具有更高的抗拉強(qiáng)度。隨環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度隨之降低， 環(huán)境溫度達(dá)到600℃以上時(shí)， 強(qiáng)度降低劇烈， 當(dāng)環(huán)境溫度升高至700℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼抗拉強(qiáng)度降低至315N/mm 2 。鋁型材的擠壓過程鋁擠壓模具承受高溫作用， 表層溫度可達(dá)540℃， 最大擠制壓力可達(dá)800N/mm 2 以上， 模具須承受很高的壓縮、 彎曲及剪切應(yīng)力作用。
 
鋁擠壓優(yōu)質(zhì)H13鋼一般在540℃以下服役， 本實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì) H13 鋼環(huán)境溫度在 550℃時(shí)， 抗拉強(qiáng)度達(dá)到1,200N/mm 2 ， 有較高的強(qiáng)韌性和抗熱疲勞性能， 可以滿足鋁型材的擠壓過程鋁擠壓模具需要承受的高溫和高壓作用， 但在600℃以上情況下服役時(shí)， 其熱強(qiáng)性急劇下降 [3] 。優(yōu)質(zhì) H13 鋼在 600℃條件下仍然具有945N/mm 2 的抗拉強(qiáng)度， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的高溫力學(xué)性能保證了鋁擠壓模具在高溫和高壓環(huán)境下具有很高的強(qiáng)度， 即使在600℃高溫環(huán)境下仍然具有一定的強(qiáng)度， 保證了鋁擠壓模具在擠壓過程中的連續(xù)工作能力及穩(wěn)定性。
 
4 顯微組織
 
將優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸試樣進(jìn)行拋光， 經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕1~2分鐘， 使用金相顯微鏡在500倍下觀察其顯微組織， 如圖3所示。
 
 
圖3 優(yōu)質(zhì)H13鋼顯微組織 （500倍）
 
a — —1#室溫拉伸試樣 b — —2#400℃拉伸試樣
c — —3#550℃拉伸試樣 d — —4#600℃拉伸試樣
 
 
 
優(yōu)質(zhì)H13鋼經(jīng)熱處理后的組織主要為回火馬氏體、 回火托氏體及部分剩余碳化物， 不同服役溫度下的試樣組織基本相同。優(yōu)質(zhì)H13鋼在高溫環(huán)境下服役， 有較高的強(qiáng)韌性和抗熱疲勞性能。
 
5 斷口SEM分析
 
高溫拉伸試樣的斷口通過SEM進(jìn)行掃描， 圖4、圖5給出了優(yōu)質(zhì)H13鋼由室溫到600℃拉伸試驗(yàn)的微觀斷口照片。
 
 
 
圖4 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸斷口微觀形貌 （100倍）
 
a — —室溫?cái)嗫?b — —400℃斷口
 
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口）
 
 
圖5 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸斷口微觀形貌 （1000倍）
 
a — —室溫?cái)嗫?b — —400℃斷口
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口
 
 
優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口均為韌性斷口， 材料斷裂前發(fā)生了大量塑性變形， 原晶粒被拉長或破碎，不再保持原來的大小、 形狀， 斷口呈灰色無光澤的纖維狀。試樣產(chǎn)生韌性斷裂， 在材料內(nèi)部夾雜物、 析出相、晶界或其他塑性變形不連續(xù)處發(fā)生位錯(cuò)塞積， 產(chǎn)生應(yīng)力集中， 進(jìn)而開始形成顯微孔洞， 長大串聯(lián)后破斷。同時(shí)， 在較高的溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 金屬基體組織軟化、 晶界弱化等， 拉伸試樣斷口形貌則呈現(xiàn)塑性斷裂傾向 [4] 。
 
環(huán)境溫度達(dá)到400℃以上時(shí)， 形成杯錐狀斷口。光滑試樣在拉應(yīng)力作用下， 局部出現(xiàn) “頸縮” ， 在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài) [5] ， 形成微孔后， 隨著應(yīng)力的增大， 微孔聚合成微裂紋， 最終擴(kuò)展到樣件表面， 形成杯錐狀特征。
 
從試樣微觀斷口形貌分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣為微孔聚集型斷裂 [6] ， 在外力作用下， 因強(qiáng)烈滑移位錯(cuò)堆積， 在局部地方， 如縮頸處， 產(chǎn)生許多顯微孔洞， 即“韌窩” ， 這種孔洞在切應(yīng)力作用下不斷長大， 聚集連接， 并同時(shí)產(chǎn)生新的微小空間， 最終導(dǎo)致整個(gè)材料破斷。隨環(huán)境溫度的升高， 斷口的韌窩大而深， 說明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力較強(qiáng)。
 
 
6 結(jié)論
 
（1） 撫順特鋼通過電爐＋電渣重熔、 精快鍛聯(lián)合成材生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁擠壓模具用優(yōu)質(zhì)H13鋼。
 
（2） 優(yōu)質(zhì) H13 鋼經(jīng)熱處理后硬度可以達(dá)到 44~46HRC， 在室溫下抗拉強(qiáng)度達(dá)到1,601N/mm 2 。隨環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度隨之降低， 在環(huán)境溫度升高至700℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼抗拉強(qiáng)度降低至315N/mm 2 。
 
（3） 優(yōu)質(zhì)H13鋼經(jīng)熱處理后的組織主要為回火馬氏體、 回火托氏體及部分剩余碳化物。
 
（4） 通過斷口SEM分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口為韌性斷裂， 從微觀形貌屬于微孔聚集型斷裂， 說明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力較強(qiáng)。（內(nèi)容摘自模具制造）

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