模具鋼H13高溫變形行為及軋制工藝

供稿|李濤，王德勇，齊銳，王健 / LI Tao, WANG De-yong, QI Rui, WANG Jian

作者單位：本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117017

內(nèi)容導(dǎo)讀H13是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的空冷硬化熱作模具鋼種。在熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)H13模具鋼進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，變形速率設(shè)定為1.0 s?1，在950～1150 ℃范圍內(nèi)，討論變形溫度及變形量對(duì)H13鋼變形抗力的影響規(guī)律。通過研究H13鋼高溫變形過程行為機(jī)制，制定合理的軋制溫度和軋制規(guī)程，促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制的發(fā)生，從而降低變形抗力，順利實(shí)現(xiàn)H13鋼錠一火軋制產(chǎn)材。

H13是一種典型的空冷硬化熱作模具鋼，抗熱裂能力良好，適合工作溫度低于600 ℃。其工藝性能優(yōu)良，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼種之一[1-3]。通常用于制造鋁鑄件用的熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模的熱沖孔模具、熱切邊模等，還廣泛應(yīng)用于銅及其合金的壓鑄模具[4-5]。H13鋼中合金元素含量高達(dá)9%，奧氏體在高溫變形過程所發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，通過研究H13鋼高溫變形行為，確定合理的軋制參數(shù)，保證工業(yè)化生產(chǎn)順利進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為某廠熱作模具鋼H13，化學(xué)成分如表1所示。使用線切割對(duì)試樣進(jìn)行加工，樣品尺寸為?8 mm×15 mm圓柱體。

表1 H13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)方法

在Gleeble-2000熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，模擬鋼材軋制過程變形行為。變形速率設(shè)定為1.0 s?1，變 形溫度 分 別 設(shè)定為950、1000、1050、1100和1150 ℃。首先樣品按照5 ℃/s的加熱速率升溫至1200 ℃，保溫5 min，然后以20 ℃/s冷卻至變形溫度，保溫30 s后開始?jí)嚎s變形，變形后立即淬火冷卻。其熱處理工藝如圖1所示。

圖1 試樣熱處理工藝

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

應(yīng)力-應(yīng)變曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)得H13鋼在不同變形溫度條件下的高溫真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 H13鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

從曲線可以看出，在變形初始階段，應(yīng)力急劇增加，超過某一極值后，應(yīng)力呈先下降而后趨于恒定值。在相同變形速率和變形程度的條件下，變形抗力隨著變形溫度的升高而降低。

金屬高溫變形行為機(jī)制

變形溫度在再結(jié)晶溫度以上稱為熱加工，金屬在熱變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、應(yīng)變誘發(fā)沉淀相的動(dòng)態(tài)析出。變形溫度、變形速率和變形程度是影響鋼高溫變形行為的主要外因[6]。鋼在高溫變形過程中，變形抗力受加工硬化和組織軟化兩方面影響。鋼在塑性變形過程中是按位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的，隨著變形程度的增大，位錯(cuò)密度不斷增大，導(dǎo)致加工硬化不斷增大。鋼的組織軟化有2種機(jī)制：(1)動(dòng)態(tài)回復(fù)。動(dòng)態(tài)回復(fù)的實(shí)質(zhì)是部分位錯(cuò)的重排和消失。當(dāng)位錯(cuò)密度增大到一定程度后，通過滑移等運(yùn)動(dòng)方式，使部分位錯(cuò)重新排列或消失，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。當(dāng)變形量增大到一定程度時(shí)，應(yīng)力將逐漸低于線性增長(zhǎng)規(guī)律，這是由熱變形過程中的動(dòng)態(tài)回復(fù)造成的。(2)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。變形程度繼續(xù)增大，動(dòng)態(tài)回復(fù)不足以抵消新位錯(cuò)，當(dāng)位錯(cuò)密度增大到某一極值時(shí)，聚集的能量將驅(qū)使奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，新的晶粒開始形核并長(zhǎng)大。加工硬化存在于高溫變形整個(gè)過程，同時(shí)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也隨變形而不斷的發(fā)展，當(dāng)加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，變形抗力將趨于某一恒定值[7]。

結(jié)合圖2真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)一步分析，變形開始階段發(fā)生加工硬化，變形抗力陡增。隨著變形的繼續(xù)，將發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化，導(dǎo)致變形抗力增速減緩。繼續(xù)變形將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，變形抗力略有降低。隨著變形的繼續(xù)，在硬化和軟化機(jī)制共同作用下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于水平狀態(tài)。隨著變形溫度升高，金屬原子的熱振動(dòng)加劇，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，滑移阻力降低，位錯(cuò)通過滑移等方式運(yùn)動(dòng)更容易，奧氏體的形核速度、長(zhǎng)大速度均提高，有利于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過程的發(fā)生，造成變形抗力降低。

軋制工藝研究

影響H13鋼高溫變形抗力的外因主要有軋制溫度、軋制速度、壓下量等。實(shí)驗(yàn)研究表明，選擇較高的軋制溫度，可以減小變形抗力。高溫變形過程產(chǎn)生的奧氏體組織結(jié)構(gòu)將影響后續(xù)冷卻過程的組織轉(zhuǎn)變。在工業(yè)生產(chǎn)中，同時(shí)考慮軋機(jī)負(fù)荷，能源消耗、初始奧氏體晶粒尺寸等因素，選擇合適的工藝參數(shù)，優(yōu)化動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，使產(chǎn)品獲得優(yōu)良的組織和性能。

工藝路徑

本次熱作模具鋼H13采用電爐模鑄錠一火軋制工藝生產(chǎn)，具體生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水→50 t電爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→3.16 t模鑄錠→均熱爐加熱→1150粗軋機(jī)組軋制→連軋機(jī)組軋制→保溫坑緩冷→退火→精整→檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。鋼錠規(guī)格尺寸見表2。

表2 H13鋼錠規(guī)格

加熱

采用溫裝工藝，模鑄錠脫模后裝爐，要求鋼錠溫度≥400 ℃，采用上部四角燒嘴換熱式均熱爐進(jìn)行加熱，爐子供熱是由位于靠近爐坑上部四個(gè)角安裝的套筒燒嘴噴入煤氣，與熱風(fēng)道上來(lái)的熱空氣混合后進(jìn)行燃燒而獲得。裝爐時(shí)鋼錠大頭向上，鋼錠不準(zhǔn)靠放在燒嘴圍墻上。鋼錠各部位要均勻透燒，定期進(jìn)行翻面。加熱工藝曲線如圖3所示。

圖3 H13鋼錠加熱曲線

軋制及保溫

模鑄錠經(jīng)過粗軋機(jī)11道次開坯后，進(jìn)入連軋機(jī)組軋制，產(chǎn)材規(guī)格?100 mm，粗軋軋程見表3。軋制前關(guān)閉高壓水除鱗系統(tǒng)，調(diào)整好軋機(jī)冷卻水強(qiáng)度，避免軋制過程中鋼材局部冷卻過快導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。保證開軋溫度≥1100 ℃，終軋溫度≥900 ℃。軋后鋼材快速下線入保溫坑保溫，保溫坑里使用紅鋼墊底，要求入保溫坑溫度≥550 ℃，出保溫坑溫度≤200 ℃，保溫時(shí)間大于48 h。

表3 H13鋼粗軋軋程

結(jié)束語(yǔ)

(1)在變形速率和變形程度一定的條件下，變形溫度在950～1150 ℃范圍內(nèi)，H13鋼變形抗力隨溫度的升高而降低。

(2)在變形速率和變形溫度一定的條件下，H13鋼變形抗力隨變形量的增大先急劇增加，而后增速減緩，最后應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于水平。

(3)通過對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的加熱制度、軋鋼溫度、軋制規(guī)程等工藝參數(shù)合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)H13鋼錠一火軋制產(chǎn)材，節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本。