電渣重熔對H13熱作模具鋼成品的影響分析

鄒 磊，吳和保

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來，隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展,模具鋼的發(fā)展也極為迅速。由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和不斷出現(xiàn)的新材料，模具的工作條件日益苛刻，對模具鋼的性能、品質(zhì)、品種等方面不斷地提出了新的要求，為此，世界各國近年來都積極開發(fā)了具有各種特性、適應不同性能要求的新型模具鋼。

H13作為最具代表性、應用最廣泛的熱作模具鋼，是一種中碳中合金過共析鋼，我國與之對應的鋼號是4Cr5MoSiV1，在高溫下有很高的強度和硬度，以及不錯的耐磨性，工作溫度可以達到540 ℃，導熱性好，抗冷熱疲勞能力強，適合水冷操作，非常適合在高溫高壓這種惡劣的環(huán)境下工作。由于H13熱作模具鋼的工作環(huán)境十分惡劣，疲勞失效是H13鋼的主要失效形式，鋼中的有害元素磷、硫以及夾雜物是其失效的主要原因，一般企業(yè)會采用電渣重熔的方式來降低有害元素以及夾雜物數(shù)量和尺寸，提高H13鋼的使用壽命。本文選取黃石榮盛優(yōu)鋼有限公司的H13(未經(jīng)電渣重熔)和H13R(經(jīng)過電渣重熔)兩種鋼產(chǎn)品對其元素含量和夾雜物尺寸種類進行研究比對分析，以總結(jié)出電渣重熔對H13鋼成品潔凈度的影響，優(yōu)化H13熱作模具鋼生產(chǎn)工藝。

1 試驗材料與方法

將榮盛優(yōu)鋼有限公司的H13與H13R兩種鋼切成10 mm×10 mm大小的截面，先用夾具進行固定，然后對切口進行打磨，用金剛石進行拋光，再用4%的硝酸酒精溶液將切口進行腐蝕處理，獲得表面平整度高且拋光效果的試樣，最后采用高倍光學顯微鏡觀察夾雜物的大小、形狀、顏色以及分布情況，記錄下來。同時采用鉆頭鉆入試樣截面16 mm以上，獲取顆粒狀屑樣，去除表面氧化層以及雜物，混合均勻再用試樣袋裝好，使用TP-CS2C型碳硫高速分析儀測量碳元素和硫元素含量，再使用XRF熒光光譜分析儀測量其他元素含量。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試驗鋼元素含量分析

對試樣鋼所含元素進行分析，結(jié)果如表1所示。榮盛H13R鋼的殘余元素Cu和Ni分別為0.16%、0.08%，有害元素S和P的含量分別為0.003%、0.018%，其中Cu和S明顯低于未經(jīng)電渣重熔處理的榮盛H13鋼，Ni元素略低于H13鋼，說明經(jīng)過電渣重熔的鋼有害元素和殘余元素都有所降低。而且可以看出，未經(jīng)電渣重熔處理的H13鋼各類元素雖然符合H13鋼標準(GB/T1299-2014)，但是元素控制有的走上線，例如C、Mn、V、Mo，有的走下線，如Si、Cr；經(jīng)過電渣重熔的H13R鋼中V、Mo元素偏下線，而C、Mn、V、Mo四種元素含量走中線。

表1 榮盛優(yōu)鋼有限公司生產(chǎn)的H13和H13R所含元素(質(zhì)量分數(shù)) %

在固態(tài)條件下，S元素在鋼中的溶解度極小，主要以FeS的形式存在，其塑性極差，在奧氏體晶界上產(chǎn)生偏聚，晶粒之間的結(jié)合被破壞，導致H13熱作模具鋼產(chǎn)生熱脆性，影響后續(xù)鍛造加工，降低成品率，更會降低模具鋼使用壽命。而P元素則會在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生偏聚，使H13熱作模具鋼產(chǎn)生冷脆。有研究數(shù)據(jù)表明，將P和S的質(zhì)量分數(shù)從0.03%降低至0.01%以下，會使H13熱作模具鋼的沖擊功提高一倍，并且顯著提高鋼的冷熱疲勞性能。

2.2 夾雜物尺寸大小分析

H13鋼夾雜物分為A(硫化物)、B(氧化鋁)、C(硅酸鹽類)、D(球狀氧化物)和DS(單顆粒球狀類)五種類別。將試樣的拋光面面積控制在100 mm2，試樣拋光打磨后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用光學顯微鏡進行觀察。夾雜物檢驗通常采用100倍的放大倍率，每個觀察視場的實際面積為1 mm2。將每一個觀察的視場與標準評級圖譜相對比，如果一個視場處于兩相鄰標準圖片之間時，則記為較低的一級。圖1為兩種鋼試樣的夾雜物掃描圖。

圖1 兩種試樣的夾雜物掃描圖

關(guān)于A類、B類和C類夾雜物的評級，對于兩個不在一條線上的條(串)狀夾雜物，當兩個夾雜物縱向距離d≤40 μm或者橫向距離s(夾雜物中心距離)≤10 μm，就應當視為一條(串)狀夾雜物，如圖2所示。如果一條(串)狀夾雜物內(nèi)部夾雜物寬度不同，就應當將最寬部分寬度視為該條(串)狀夾雜物的寬度。

圖2 條(串)狀夾雜物的評級

夾雜物判定流程如圖3所示。圖3中球狀夾雜物系中又分為球狀硫化物(A類夾雜物)和球狀氧化物(D類夾雜物)，通過觀察其顏色區(qū)分，如果反射率低就是球狀氧化物，歸為D類夾雜物，如果反射率高則是球狀硫化物，歸為A類夾雜物。

圖3 夾雜物判定流程

將試樣拋光面平均分為100個視場，每一視場同標準圖片相對比，每類夾雜物按細系或粗系記下與檢驗視場最符合的級別數(shù)，然后計算出每類夾雜物和每個系列夾雜物相應的總級別數(shù)itot和平均級別數(shù)imoy。

設(shè)級別為0.5的視場數(shù)為n1；級別為1的視場數(shù)為n2；級別為1.5的視場數(shù)為n3；級別為2的視場數(shù)為n4；級別為2.5的視場數(shù)為n5；級別為3的視場數(shù)為n6。則總級別數(shù)itot=(n1×0.5)+(n2×1)+(n3×1.5)+(n4×2)+(n5×2.5)+(n6×3)。

imoy=itot/N，N為視場數(shù)100。兩種試樣的夾雜物評級結(jié)果如表2所示。

表2 兩種試樣的夾雜物評級

2.3 夾雜物綜合評價

可以看到，經(jīng)過電渣重熔的H13R試樣的夾雜物在數(shù)量和尺寸上都明顯低于未經(jīng)電渣重熔處理的H13試樣，尤其是A類夾雜物(硫化物)和DS類夾雜物，但是D類夾雜物(細系)含量升高，需要對電渣重熔工藝進行優(yōu)化。同時，在圖1可以觀察到H13R試樣的夾雜物更加細小彌散，圓形度更高(圓形度越趨向于1則夾雜物越接近球形)，球狀的夾雜物塑性更好，在后續(xù)的鍛造過程中更容易隨著基體形變，對鋼的力學性能以及使用壽命影響更小。

而未經(jīng)電渣重熔的H13試樣，根據(jù)夾雜物能譜儀(EDS)分析，夾雜物主要是鋼材中常見的夾雜物Al2O3和MnS。其中，Al2O3為硬脆相，在鍛造時容易破碎，呈現(xiàn)鏈狀分布，其熱膨脹系數(shù)比基體小，與基體接觸應力大，所以Al2O3界面容易斷開。硫元素在鋼液冷凝過程中會在樹枝晶處富集，當硫元素含量過高時,會和錳元素結(jié)合在基體內(nèi)產(chǎn)生MnS。在后續(xù)鍛造過程中夾雜物會沿著鋼材主變形方向產(chǎn)生塑性變形，如MnS包裹著Al2O3呈帶狀分布，不與基體變形一致，從而造成應力集中，降低了H13鋼的使用壽命。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過電渣重熔的H13R鋼，在去除硫元素上起到了不錯的效果，硫的質(zhì)量分數(shù)從0.008%(未經(jīng)電渣重熔)降到0.003%，遠低于H13鋼的最高標準線0.030%(GB/T1299-2014)，Ni、Cu等殘余元素的含量也大幅度降低。

(2)未經(jīng)電渣重熔的H13鋼的元素含量雖然符合國家標準(GB/T1299-2014)，但是多種元素含量緊貼標準線，而經(jīng)過電渣重熔的H13R鋼各元素含量較為合理。

(3)經(jīng)過電渣重熔的H13R鋼夾雜物更加彌散細化，圓形度更大，更接近球形，對后續(xù)鍛造的不利影響更小，鋼的力學性能更好。

(4)經(jīng)過電渣重熔后的H13R鋼，D類細系夾雜物(球狀氧化物)反而有升高的趨勢，應當進一步優(yōu)化電渣重熔工藝，例如采用保護氣氛來隔絕大氣中氧元素，降低渣系堿度，去除自耗電極氧化皮等，還可以對后續(xù)VD真空度脫氣工藝進行優(yōu)化處理。