H13 钢的电炉冶炼工艺与性能研究：提高质量与经济效益的探索

H13钢是一种在世界范围内广泛使用的热作模具钢。该钢具有良好的热强度、韧性和淬透性。广泛应用于热锻模具、铜铝合金压铸模具等生产领域。它是当今全球使用最广泛的热作模具钢之一。众所周知，电渣重熔冶炼工艺对于提高H13模具钢的质量具有重要作用。但由于种种原因，国内H13钢最常见的生产工艺仍然是传统的电炉冶炼。与电渣重熔熔炼相比，电炉熔炼工艺的优点是可以节省20%~30%的生产成本。因此，如果能够通过合理的锻造工艺和热处理工艺，在一定程度上提高电炉钢的质量、性能和使用寿命，这将带来更高的经济效益。为此，有人系统研究了不同锻造比对电炉冶炼生产的H13钢组织和力学性能的影响，并总结分析了规律，对传统电炉钢的生产和发展具有很大的参考价值。

试验材料为抚顺钢厂常规生产的H13电炉钢锭，上直径410mm，下直径330mm。采用单向热锻拉长，锻造比分别为2、4、6、10，并在830℃球化退火。以小于或等于30~40℃/h的速度缓慢降温至500℃，出炉空冷。钢锭化学成分如表1所示。

表1 试验钢化学成分（质量分数）%

元素

锰

硅

镍

铬

莫

铜

内容

0.415

0.42

1.13

0.0025

0.021

0.16

4.98

0.99

1.32

0.12

从钢锭中心、直径1/4处和边缘切取试样，观察钢锭不同横向部位的铸态组织；钢锭退火后，切割退火样品，观察横向和纵向位置。取6个标准10mm×10mm。 ×55mm夏比V型缺口冲击试件，采用JB30B冲击试验机测定调质状态下的冲击性能，观察其断口形貌，测量调质状态下不同部位的硬度和组织差异以进行调整。固体冲击试件的热处理工艺为1030℃、30min、油冷淬火、两次600℃×2h回火。金相样品用4%硝酸酒精浸蚀，使用LEICA MEF4M光学显微镜和S-4300冷场发射扫描电子显微镜（SEM）观察和分析金相组织；钢中非金属夹杂物评级标准采用GB/T10561 -2005。为了保证实验数据及其变化规律的准确性，本次实验所用材料均取自同一炉钢锭，退火和调质工艺也完全一致。

1、预热处理：市场上供应的H13钢材及模坯均已在钢厂进行退火热处理，保证有良好的金相组织、适当的硬度、良好的加工性能，无需再进行退火。但厂家锻造修改后，原有的组织和性能被破坏，锻造应力增大，必须重新退火。

等温球化退火工艺为：860～890℃加热保温2小时，冷却至740～760℃保温4小时，炉冷至500℃左右。

2、调质要求模具淬火工艺规范具有良好的韧性：加热温度1020~1050℃，油冷或空冷，硬度54~58HRC；模具淬火工艺规范主要要求热硬度，加热温度1050~1080℃，油冷，硬度56~58HRC。

推荐回火温度：530~560℃，硬度48~52HRC；回火温度560~580℃；硬度47~49HRC。

回火应进行两次。当在500℃回火时，出现二次回火硬化峰。回火硬度最高，峰值在55HRC左右，但韧性最差。因此，回火过程应避免500℃左右的温度。根据模具的需要，在540~620℃范围内回火较好。

淬火加热应进行两次预热（600~650℃、800~850℃），以减少加热过程中产生的热应力。

3、化学热处理：H13钢的气体氮化或氮碳共渗可以进一步强化模具，但氮化温度不应高于回火温度，以保证芯部强度不降低，从而提高模具的使用寿命。

结果表明，在相同锻造比下，H13电炉钢的横向冲击功明显小于纵向冲击功，且从横向和纵向边缘到钢锭中心的冲击功越来越差;不同锻造比对横向冲击功影响不大。 ，并且随着锻造比的增大，纵向冲击功增大。研究表明单向热锻拉不能有效提高钢材的横向止裂性能；电炉H13热作模具钢的锻造比控制在4～6范围较为适宜。