对比分析国内外高级优质热作模具H13钢组织和性能？

采用金相显微镜及冲击试验机等设备，对两种源自国内外的高级优质热作模具钢H13进行了组织结构和力学性能的深入研究。研究发现，抚顺特钢生产的H13钢与瑞典一胜百的8407钢在化学成分、带状偏析、退火组织以及冲击韧性等方面均进行了详细的对比分析。抚顺特钢生产的H13钢在P含量上不及瑞典一胜百的8407钢，而8407钢在带状偏析方面略胜一筹。抚顺特钢的H13钢在退火后的组织结构中，心部可以观察到少量的网状碳化物，而在冲击性能的边部表现上，则略优于8407钢。

关键词：模具钢；锻造；显微组织；冲击性能

1 引言

2001年中国融入WTO后，机械制造业蓬勃发展，带动了模具工业的迅猛增长，进而促进了模具钢的进步。模具生产的技术水平，已成为评估一个国家制造业水平的重要指标，因为模具的质量在很大程度上影响着产品的质量、效益以及新产品的研发能力，模具更是工业生产中的基础工艺设备。与此同时，模具工业正以迅猛的势头发展，对模具材料的性能和使用寿命等方面提出了更为严格的标准。在模具工业的各个领域，热作模具扮演着至关重要的角色。以压铸模为例，压铸技术是实现金属零件接近最终形状尺寸的精密成型工艺，它在汽车、机械、电子等高速发展的关键产业中扮演着不可或缺的角色，其需求量持续增长。我国每年对压铸模具的需求量高达数十万吨，其价值更是高达数十亿元。在汽车轻量化进程中，铝合金和镁合金压铸件被广泛使用。各国汽车制造业均以推动压铸行业发展为己任，其中我国汽车业对压铸件的应用比例超过65%，而在日本等发达国家，这一比例更是高达80%以上。

2 热作模具钢

热作模具钢适用于生产在高温环境下使用的金属或液态金属工件模具，这一生产步骤要求将金属或液态金属加热至再结晶温度以下，故其性能与冷作模具钢、塑料模具钢等其它类型模具钢相比，存在显著的不同。热作模具钢的碳含量通常介于0.3%至0.6%之间，通过加入钨、钼、铬、钒等合金元素来提升其高温性能，因此可以分为铬钼系和铬钨系等多种类型的热作模具钢。我国于20世纪80年代初引入了美国研发的国外通用铬钼系热作模具钢H13（在我国称为4Cr5MoSiV1），这种钢材凭借其优异的淬透性、淬硬性、强韧性以及热疲劳抗力，在国内外市场上得到了广泛的应用。它被用于制造热挤压模具、压铸模具、热锻模具以及塑料模具等，是目前全球范围内应用最广泛的热作模具钢之一。

模具技术的进步促使对模具钢材的品质和性能有了更高的期待。自20世纪80年代起，国际上的模具钢领先企业便着手研究并生产高级定向性H13钢。其中，奥地利BOHLER公司率先提出，通过采用超纯净冶炼、均质化处理以及超细化技术，显著提升了H13钢的定向性，进而显著延长了模具的使用寿命。日本大同特殊钢、日立、高周波等企业相继推出了高级优质H13钢，引领了全球潮流。抚顺特钢也成功研发了高级优质H13钢；瑞典则推出了高级优质H13钢（即一胜百的8407钢），使其成为知名品牌的热作模具钢。

瑞典生产的胜百8407型钢，是种热作模具钢，它由铬、钼、钒等元素组成的合金工具钢制成。这种钢材的组织结构非常均匀，且具有高纯净度，因而兼具优异的韧性和良好的等向性。它特别适用于在600℃以下温度范围内使用的金属压铸模具以及挤压模具等。

3 试验方案

本研究对两种源自国内外、规格相近的高品质热作模具钢H13进行了质量对比分析，所涉钢种包括抚顺特钢生产的H13钢以及瑞典一胜百的8407钢。在本研究中，抚顺特钢生产的H13钢被选用，其锻造扁钢的尺寸为350×600mm。其生产工艺流程包括：首先进行真空精炼，接着实施电渣重熔，随后在大型快锻机上进行锻造成材，最后进行钢材的热处理。瑞典产的一胜百8407钢，用于研究，其锻造而成的扁钢尺寸为350毫米宽和650毫米厚。

对抚顺特钢生产的高级优质热作模具H13钢以及瑞典一胜百的8407钢进行了试验，对比分析了它们的化学成分、带状偏析、退火组织及冲击韧性，整个过程严格遵循了北美压铸模协会NADCA所颁布的#207-2008标准。

4 试验结果及讨论

4.1 化学成分

本研究选取的抚顺特钢生产的高级优质H13钢，其锻造扁钢的尺寸为350毫米乘以600毫米。该高级优质H13钢锻造扁钢的化学成分详见表1。

本研究涉及的瑞典一胜百牌号的8407型钢材，其锻造而成的扁钢尺寸为350毫米宽和650毫米厚。该钢材锻造扁钢的化学成分详细数据可参考表2。

通过观察表1和表2，我们发现这两种试验用钢的成分均满足NADCA #207-2008标准的要求。具体来看，不同钢种的成分特点如下：抚顺特钢生产的高级优质H13钢中，铬（Cr）和钒（V）的含量略高于瑞典一胜百公司生产的8407钢。瑞典一胜百8407钢与抚顺特钢高级优质H13钢在P含量和氧含量上存在区别，具体表现为：瑞典一胜百8407钢的P含量为0.008%，较抚顺特钢高级优质H13钢的0.008%略高，而氧含量则为0.0010%，低于抚顺特钢高级优质H13钢的0.0010%；另一方面，抚顺特钢高级优质H13钢的P含量为0.005%，低于瑞典一胜百8407钢的0.005%，氮含量为115ppm，也低于瑞典一胜百8407钢的115ppm，但氧含量为18ppm，则高于瑞典一胜百8407钢的18ppm。

4.2 带状偏析

带状偏析是决定热作模具钢内部品质的关键因素之一，因此，探究不同钢种带状偏析组织的特点显得尤为关键。在钢的凝固阶段，合金元素与碳的聚集导致枝晶偏析，这些偏析在热变形过程中被拉伸，形成了富含合金元素和碳的条带。在退火过程中，这些条带进一步形成了大小不一的颗粒，并伴有碳化物的偏聚。经过纵向腐蚀处理后，试样上可观察到明显的条带状偏析。本试验依据对比材料的尺寸规格特性，依照NADCA的标准规定，对材料的核心部分、四分之一直径处以及边缘的带状结构进行了详细的对比研究，具体如图1所示。

图1 对比实验钢的带状偏析组织 （50×）

a — 抚顺钢铁厂生产的H13型号锻造扁钢，b — 8407型号锻造扁钢，它们的心部区域。

c——抚钢生产的H13材质锻造扁钢，尺寸为1/4D；d——8407型号锻造扁钢，同样尺寸为1/4D。

e——抚顺钢铁厂生产的H13牌号锻造扁钢边缘部分，f——8407牌号锻造扁钢边缘部分。

通过金相组织的分析，观察图1可知，依据NADCA #207-2008标准图谱，抚顺特钢生产的高级优质H13钢材以及瑞典一胜百的8407钢材所呈现的带状偏析组织均达到了可接受的标准，其中，瑞典一胜百的8407钢材的带状偏析质量略高于抚顺特钢的高级优质H13钢材。

4.3 退火组织

退火显微组织是衡量H13型钢材质量优劣的重要标准之一；在北美压铸模协会NADCA颁布的#207-2008优质钢规范中，H13钢材的退火显微组织需达到AS1至AS9的合格标准。优秀的退火微观结构在淬火处理中能形成优质的马氏体结构，这有助于扩大模具的淬火温度区间，降低过热倾向，减少模具的形变，并能有效防止淬火过程中的冷却裂纹，因此，形成均匀的球状珠光体组织，即球化组织，对于热作模具的最终热处理及其使用效果具有极其重要的价值。本试验参照了对比材料的尺寸规格特性，依照NADCA的标准规定，对材料的中心区域、四分之一直径处以及边缘部位的退火结构进行了详细的对比研究，具体如图2所示。

图2 对比实验钢的退火组织 （500×）

a — —抚钢H13锻造扁钢心部 b — —8407锻造扁钢心部

c — —抚钢H13锻造扁钢1/4D d — —8407锻造扁钢1/4D

e — —抚钢H13锻造扁钢边部 f — —8407锻造扁钢边部

图2显示，抚顺特钢生产的高级优质H13钢在退火后的显微组织级别中，材料中心、1/4D位置及边缘的评级分别为AS4、AS3和AS3；而瑞典一胜百生产的8407钢在退火后的显微组织级别中，材料中心、1/4D位置及边缘的评级均为AS3。两种试验钢的退火组织表现良好，碳化物分布均匀且弥散，钢材在中心、1/4D和边缘的退火组织级别基本保持均匀一致。两种试验钢材的差别主要体现在：在瑞典一胜百的8407钢的退火结构中，可以观察到心部存在轻微的碳化物分布不均；而在抚顺特钢生产的高级优质H13钢的退火结构中，心部则呈现少量的网状碳化物。

碳化物。

4.4 冲击韧性

热作模具钢中的冲击韧性，尤其是横向冲击韧性，是一项至关重要的力学特性，它在NADCA #207-2008标准中被设定为关键的评估标准。由于热作模具在运作时必须承受冲击载荷，因此，为了确保模具不会出现裂纹或变形，必须维持其较高的冲击韧性和断裂韧性。在截面较大或含有较高比例钼钨元素的热作模具中，淬火过程中容易出现脆性中间相，进而引发热脆现象。通过精心设计成分、采用恰当的热处理技术和优化组织结构，可以显著提升材料的韧性。对于热作模具钢而言，依据其使用性能的需求，实现韧性与强度的合理匹配，是延长其使用寿命的关键。

抚顺特钢生产的H13高级优质钢以及瑞典一胜百的8407型号钢的冲击试样，分别是从扁钢的横向截面中心、距离边缘四分之一直径的位置以及边缘部位取得的。依据NADCA规范，所执行的热处理工艺中，淬火温度设定为1,030℃，回火温度则为600℃，同时调整冲击试样的热处理硬度至44至46HRC范围，所使用的冲击试样尺寸为10×10×55mm的V型缺口，以检测其冲击性能。测试过程中，硬度测试采用M5C030G3型硬度计，冲击试验则利用ZBC-300型冲击试验机进行。

对抚顺特钢生产的高级优质H13钢材以及瑞典一胜百公司生产的8407型号钢材进行了横向冲击性能测试，具体检验结果详见表3，该表展示了两种钢材横向冲击性能的对比数据。

表3展示了试验钢不同部位的横向冲击韧性功的对比情况，通过夏比V形缺口试样进行了五次冲击试验，剔除了一个最高值和一个最低值，最终取剩余三个试验结果的平均值作为试验结果。试验数据显示，瑞典一胜百的8407钢在横向冲击功方面，其心部、1/4D和边部的数值相差无几，整体上满足了NADCA标准中对高级优质H13钢冲击功的高要求；而抚顺特钢生产的高级优质H13钢，在横向冲击功的这三个部位的差异则较为显著，尽管整体上也符合NADCA标准的高级优质H13钢冲击功要求，但心部和1/4D的横向冲击功均不及瑞典一胜百的8407钢，而边部的横向冲击功则超过了瑞典一胜百的8407钢。

5 结论

这两种试验用钢材的成分均满足NADCA #207标准要求，具体来看，抚顺特钢生产的高级优质H13钢中，铬（Cr）和钒（V）的含量略高于瑞典一胜百公司生产的8407钢。抚顺特钢生产的H13高级优质钢，其P含量仅为0.005%，比瑞典一胜百8407钢的P含量还要低；氮含量为115ppm，同样低于瑞典一胜百8407钢；而氧含量则达到了18ppm，比瑞典一胜百8407钢的氧含量要高。

依据NADCA #207标准图谱，抚顺特钢生产的高级优质H13钢材以及瑞典一胜百公司的8407钢材，其带状偏析组织均满足可接受的标准要求。进一步比较，瑞典一胜百的8407钢材的带状偏析表现略胜于抚顺特钢的高级优质H13钢材。

依据NADCA #207标准图谱，抚顺特钢生产的高级优质H13钢以及瑞典一胜百的8407钢，其退火后的显微组织均达到了标准规定，两种钢材的退火组织表现优异，碳化物分布均匀且弥散，而在钢材的心部、1/4直径处以及边缘部位，退火组织的级别也基本保持了一致性。两种试验用钢在退火状态下的区别主要体现在：瑞典产的一胜百8407钢在退火组织中心部可以观察到轻微的碳化物析出；而抚顺特钢生产的高级优质H13钢在退火组织中心部则可以看到少量的网状碳化物。

瑞典的8407钢在横向冲击功方面，其心部、1/4D和边部的差异并不显著，整体上满足了NADCA标准对高级优质H13钢冲击功的高要求；而抚顺特钢生产的高级优质H13钢，在横向冲击功的这三个部位的差异则较为明显，同样基本符合NADCA标准的高级优质H13钢冲击功要求。不过，抚顺特钢的心部和1/4D横向冲击功略逊于瑞典一胜百的8407钢，但在边部却超过了瑞典一胜百的8407钢。