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铝型材挤压机用钢H13锻材的研制
摘要： 东北特殊钢大连基地利用本身设备及技术优势，开发出一系列生产工艺，试制出满足北美压铸协会NADCA207优质钢标准要求的ф140-800mm锻造棒材，经过用户鉴定满足使用要求，特别是Ф600-800mm直径的棒材半径二分之一处的球化组织也完全满足该标准的要求，为技术上的一大突破。
关键词： H13;铝挤压用钢;显微组织
引言
由于挤压铝材时温度在450-480℃左右，挤压压力高达2000MPa以上，因此对使用的模具材料要求十分苛刻。特别是近年来随着铝挤压制品异型化、大型化以及大型挤压机的(2.5万吨)的投产，对模具材料的质量要求越来越高，规格也越来越大。为降低成本、满足一腔多模的要求，一些铝挤压模具厂将直接用于制作模具的规格增大，并提出棒材退火组织达到NADCA207-2003中AS1-AS3，BS1-BS2的质量水平。
1、国内试制现状
以往国内生产的高质量H13棒材极限规格为650mm，大规格模具均采用进口或小规格锻质棒材镦粗锻造而成，增加了生产成本和周期。东北特殊钢集团大连基地在利用本身设备优势，经过近一年的工艺开发及研究，试制出最大直径为800mm的高档次模具用锻造H13棒材，经过用户检验完全满足使用要求。特别是600-800mm直径的棒材球化组织也完全达到NADCA207标准AS1-AS3，BS1-BS2水平，为技术上的一大突破。
2、试制工艺
2.1 试制工艺路线 转炉+精炼+连铸+电渣+锻造+超细化处理+球化处理。
2.2 化学成分的控制 根据各元素对钢材性能的影响，控制C在中限、Si、Mn在中上限、S≤0.003%，改善纵横向性能比，P≤0.015%，Mo、Cr在中上限，改善冲击和抗疲劳性能，V中下限，控制钢的韧性和偏析水平。特别是有意将影响模具寿命的Cu元素控制在0.020%以下。
2.3 连铸坯冶炼控制 冶炼时采用转炉铁水，去除有害元素P、Cu含量，加强控制钢中的脱氧，脱硫，并经过真空处理，去除钢的气体N含量，降低钢中夹杂物水平。完成了连铸上台温度、连铸的拉速、二冷水，电磁搅拌和轻压下工艺的最优配合，减少连铸坯的偏析。
2.4 电渣 分析了不同规格连铸坯质量，选取了小规格连铸坯作为电极坯料，减少了电极坯料的偏析程度，控制合适的充填比、渣系、渣量和溶化速度。东特大连的电渣采用恒溶速，一只电极坯料对一只电渣锭，不存在交换电极问题，因此电渣锭的质量稳定，组织偏析微小，为后期加热扩散控制奠定基础。
2.5 锻造
2.5.1 高温扩散技术的应用 电渣时钢锭的选分结晶结果导致钢材存在带状和一次碳化物，容易造成应力集中，引起模具的早期开裂。采用高温扩散技术能使碳化物分解熔入周围基体中，并减轻带状偏析程度。椐资料介绍[1]，H13钢经高温均匀化，其冲击功均较未扩散处理的试样高1倍以上。生产中我们经过反复试验研究，确定了该钢种的高温扩散工艺，达到了良好效果。
2.5.2 锻造方法的研究 进行了拔长、一次镦拔、多次多向镦拔试验和不同压下变形率配合试验等锻造方法研究，最终确定了镦拔+变形率相结合的生产工艺。钢材经过高温扩散+镦拔渗透变形得锻造工艺，可保证最终组织均匀一致。尤其大于450mm-800mm直径的棒材由于采用东特大连独有的80MN压机进行大压下的镦拔，变形充分，对组织的破碎十分有效。
2.6 超细化及球化处理 在细化处理时根据钢种的特点，结合相图进行控制，既消除网状，细化组织，又防止裂纹。经过精心计算，确定合适加热温度，使碳化物部分溶解，这样保有部分未溶碳化物，利于球化处理[2]。其次对冷却环节进行严格控制，使内部温度尽快返到外部，保持内部温度快速降低。经过各规格的生产试制取得了良好的组织细化效果。关于球化处理，有资料介绍[2]，当原始组织为马氏体或贝氏体时，这样更有利于球状碳化物的形成。对于大规格600-800mm的棒材生产确定了一套特殊的超细化及球化工艺，保证了球化质量。
3、试制结果
3.1 化学成分 钢的化学成分见表1。值得注意的是，东北特殊钢采用转炉铁水炼钢，因此钢中的N含量、Cu含量都很低，Cu含量达到最小0.09%，最高0.12%，平均为0.10%，这降低了模具钢的室温脆性;而采用转炉铁水炼钢可保证低的氮含量范围在80-130ppm，氧含量≤15ppm，明显降度钢中的B类和D类夹杂物。从成分看，钢的P、S水平都达到了国内先近水平，但与瑞典8407还有一定差距。
3.2 冶金质量水平
低倍组织、夹杂物水平见表2，可见，钢的低倍组织均匀一致，夹杂物水平基本在0-0.5级左右。对成品半径二分之一处退火组织进行观察，结果如图1所示，由500X显微组织来看，800mm材料整体的珠光体球化效果都达到了北美压铸协会优质钢的标准NADCA207-2003热作模具钢退火组织的合格标准，见图1所示。与瑞典8407的珠光体碳化物颗粒的均匀性相当。国内其他厂家优质H13部分区域受组织遗传性的影响，粒状珠光体呈区域性的针叶状。因此，大连基地生产的800mm直径棒材组织已经完全达到了国外先进水平300mm直径的棒材组织，这是东特大连独特之处。
3.3 钢材的横向性能 对棒材通过钢材半径二分之一处切取7mm×10mm的无缺口试样(每批取3个试样)进行横向冲击检验，在保护性介质中调质使试样硬度在45±2HRC，然后再WE-100万能试验机上进行室温冲击试验，试验结果发现，随着棒材直径的增大冲击功下降，在300mm以下棒材冲击功大于250-300J，但大规格的棒材冲击值不断降低，在620mm直径时，冲击值为147J，这也较国内其他优质钢高出20J。
3.4 批量生产及用户使用的反馈情况 采用以上高纯度、低偏析的冶金质量控制、高温扩散技术应用、锻后组织细化处理及球化工艺控制，大连基地生产了几百批次，规格以300-800mm直径为主，产出材2000余吨，目前均已经交付用户使用，据用户反馈钢材完全可以满足使用要求。
4、讨论及未来改进方向
从表1可知，目前大连生产的H13铝挤压棒材化学成分控制得当[3]，杂质含量低，S、P均可达到国内优质钢的水平，与瑞典8407的水平接近，Cu、N元素目前在国内也属于领先水平。从表2可见，钢中低倍质量良好，夹杂物的含量基本与瑞典8407的水平相当，这都为优质模具提供了基础保证。
对于铝挤压机用钢H13来说主要用于制作挤压机的导流模、模芯、支撑模，不同部位对材料有不同的要求，以往大规格棒材被直接使用的情况不多，常常被改锻后制造模具，但目前对大规格棒材直接作模具的情况越来越多。而钢材的调质后的组织如何直接关系到钢材的使用寿命。我们经过电镜分析，发现通常调质后高寿命的8407表现为较小的解理断口[3]，国内钢材的解理断口略粗。那如何才能形成较小的解理断口呢?认为主要是需要碳化物曾现均匀而且颗粒成球。要想达到如此的球化效果，需要采用以上提到各种工艺的优良配合。
在瑞典8407中一般很少能看到夹杂物，而影响模具寿命的第二原因就是钢中的夹杂物[4]，目前就国内钢材来说，夹杂物普遍达不到8407水平，大连基地的夹杂物也略高于8407。电镜还发现钢中夹杂含有Al、Si、Ca等元素，而且夹杂物颗粒十分细小，在检验中难以发现，却成为断口冲击值低下的原因，因此如何提高国内超纯净钢是提高国内高档次模具钢的关键。另外，钢中的存在的共晶碳化物(主要是V的碳化物)是损害模具寿命的另一大危害。如果这些碳化物在高温扩散阶段没有扩散溶解，那么在后期的调质加热时因为其失去了与Cr共同扩散的机会，单独很难完成扩散[1]，这种碳化物的作用相当于夹杂物，严重降低钢的冲击任性，损害模具寿命。因此目前生产采用的高温扩散是十分必要的。
因此对于国内优质铝挤压模具的发展方向是如何降低钢中夹杂物含量、消除一次碳化物和做好球化组织的精细化工艺研究。
5、结论
5.1 东北特殊钢大连基地采用电渣+高温扩散+多面锻造+超细化处理与球化工艺相结合生产的H13大规格棒材工艺稳定，可以批量供货。经过用户使用完全满足用户使用要求。
5.2 东北特殊钢大连基地生产的直径?准140-800mm的H13棒材，质量达到了国内先进水平和国际水平。尤其600-800mm在半径二分之一处的组织也完全满足该标准要求，为技术上一大突破。
参考文献：
[1]李彦初，赵英亮，陈辉等.美标H13热作模具钢的锻造工艺优化[J].山东冶金，2011，33(5)：59-61.
[2]郭加林，项胜前.锻后退火态H13钢的显微组织分析[J].材料研究与应用，2001，5(3)：225-228.
[3]潘晓华，朱祖昌.H13热作模具钢的化学成分及其改进和发展的研究[J].模具制造，2006(4)：78-85.
[4]阳燕，刘建华，包燕平.热作模具钢H13的非金属夹杂物研究[J].钢铁，2011，46(9).
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