SWPH13与ASSAB 8407(ORVAR SUPREME)的性能对比

摘要：采用炉外精练、气体保护电渣重溶技术以及高温均质化处理、多向锻造、超细化处理技术研制的热作模具钢SWPH13的质量水平可与国际领先水平的瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)相媲美，标志着国产H13热作模具钢的质量水平跃上了一个新的台阶。

关键词： SWPH13钢；超细化处理；热疲劳性能；冲击韧度；等向性能；碳化物均匀性

本文摘自《热处理》2006年第21卷第2期(作者:刘笑莲 宝钢股份特殊钢分公司，从事特殊钢锻造及热处理技术研究)

㈠引言

随着全球经济一体化的深入发展，模具工业在国民经济中发挥的作用越来越大，机械、电子、汽车、轻工和国防工业的发展均要求模具工业的发展与之相适应。模具工业已成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志之一。模具钢材是模具工业的重要技术和物质基础，我国近年来模具工业的迅速发展促进了模具钢在品种、质量方面有了较大的发展和提高，形成了冷作、热作、塑料等系列模具钢，典型钢种有Crl2MoV、4Cr5MoSiV1、3Cr2Mo等。但由于存在品种规格不全、高质量产品少、性能不够稳定等因素，国产模具钢还不能完全满足模具工业快速发展的需求，大型、复杂、精密、长寿命模具每年还需从瑞典、日本等工业发达国家大量进口。

改变我国在高档模具钢方面大量依赖进口的局面是当务之急。宝钢集团五钢公司与上海大学合作研制成功了可与代表当今国际领先水平的瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢相媲美的精品SWPH13热作模具钢，提升了我国热作模具钢的质量档次。

㈡模具钢的差距

近年来我国模具钢在生产规模、品种规格、材质等方面与国外先进国家相比仍有差距。日本模具的年产值90年代就已达到160亿美元，而我国的模具产值仅相当于日本的1/5，大型、复杂、精密模具还主要依赖进口。就目前国内广泛应用的热作模具钢H13而言，与进口材料相比仍存在共晶碳化物、带状偏析较为严重，等向性能较差，使用寿命不高等问题。即使是经电渣重溶的国产优质H13钢，与瑞典ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢相比也存在不少差距，普通H13钢(电炉单炼及普通热加工)更不言而喻。

⒈交货状态的组织

国产优质H13钢退火态心部组织存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，二次碳化物聚集在晶界处，并且在局部地方连成链状碳化物。共晶碳化物和二次碳化物在晶界聚集强烈影响模块的冲击韧度。

ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢模块二次碳化物分布均匀，无网链状碳化物存在。

⒉等向性能

国产优质Hl3钢与ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)模块淬回火态无缺口试样的冲击功，国产优质H13钢模块冲击功横纵比不到0.5，等向性能较差；而ASSAB8407钢模块横向心部试样冲击功较高，冲击功横纵比达0.85，显示了良好的等向性能。

⒊热疲劳性能对比

采用UDDEHOLM自约束热疲劳试验法，在20℃~700℃之间冷热循环3000周次，国产优质H13钢热疲劳裂纹扩展方向明显，裂纹粗大，而ASSAB8407钢热疲劳裂纹呈均匀网络状扩展，裂纹较细小。国产优质H13钢铝合金压铸模使用寿命最高达6万次，而ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢可稳定达到20万次以上。

㈢提高H13钢质量及性能的关键技术

⒈钢的纯净度

钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性，易引起应力集中，在外界应力作用下，裂纹延伸很容易发展扩大而导致模具失效。塑性夹杂物在锻轧过程中延展变形，致使钢材产生各向异性。随着钢的冶炼技术的不断进步，电炉钢可以进行炉外精练和真空脱气处理，电渣重熔可以在气体保护下进行，这些措施都可以有效地提高钢的纯净度。

SWPH13钢的冶炼采用EAF+LFV+PESR(气体保护电渣重熔)技术，电炉冶炼电极采用低硫磷合金和废钢，采用氧化法冶炼除磷，加强炉外精练的脱硫及真空脱气；电渣重熔采用多元渣系，并在氩气气氛下重熔。采用以上技术可以使SWPH13钢的非金属夹杂物细小、弥散。

⒉磷硫含量

在优化钢的化学成分的同时，必须注意钢中的磷硫含量。钢中的磷和硫在凝固过程中形成的磷化物和硫化物在晶界沉淀富集，降低晶界的结合强度，因而使钢产生晶间脆性，降低钢的塑性、韧性及疲劳性能，影响模具的使用寿命。日本大同特殊钢对H13钢的研究显示，钢中的0．025％P和0．008％S分别降低到0.005％P和0.001％S，热疲劳裂纹产生的数量和长度会减少一半。SWPH13钢通过采用EAF+LFV+PESR(气体保护电渣重熔)技术，可使钢中的磷含量降低到0.010％以下，硫含量降低到0.005％以下。

⒊钢中碳化物分布的均匀性

H13钢的含碳量并不太高，仅为0.4％左右，但合金元素总量达8％，因此属于过共析钢，由于碳及合金元素的偏析，H13钢中有时会出现亚稳定的共晶碳化物。这类碳化物一旦形成大块棱角状，或堆集成网链状，就会促使模具早期失效。

由于钢锭凝固时的选分结晶，尤其是凝固后期枝晶偏析严重，在枝晶网胞边缘生成连续的粗大碳化物网，使金属塑性急剧下降。热加工退火后贫碳区与富碳区交替分布形成带状组织，导致模块力学性能各向异性。

H13钢中的碳化物大多数是M23C6型铬的碳化物，还有少量的M7C3和MC型钼和钒的碳化物。共晶碳化物主要是富含V的MC型碳化物。

高温均质化处理能够有效地改善碳化物的偏析程度。合金元素的扩散需要一定的浓度梯度。H13钢铸态组织中共晶碳化物沿晶界呈网状分布，扩散界面比较大，晶界与晶内碳及合金元素存在较大的浓度梯度，所以富集在晶界的多余碳、合金元素扩散进入铁素体晶内，从而不断溶解共晶碳化物，达到成分均匀。

经过在1200℃以上的高温长时间保温，H13钢成分偏析得到改善，共晶碳化物数量减少、颗粒变小，成分更加均匀。通过对H13钢高温均匀化前后元素微区成分分析，Cr、Mo、V合金元素的成分上下波动幅度较小。

⒋ 组织均匀性

众所周知，钢中的组织及碳化物越均匀细小，钢的冲击韧度就越高，从而提高模具的使用寿命。SWPH13钢采用了独特的“超细化处理工艺”，获得了细小均匀的组织，使冲击韧度大幅度提高。

在同一生产条件下，经过超细化处理，SWPH13钢的组织及碳化物明显细化，淬回火态无缺口试样冲击功提高到290J。

⒌热疲劳性能

热作模具在使用过程中要与高温金属接触，模具型腔表面在短时间内会达到700℃，之后迅速冷却，这种急热急冷过程会在模具表面产生应力。模具在循环应力作用下服役，其表面易产生疲劳裂纹，影响模具使用寿命。

热疲劳性能与钢的纯净度及组织、碳化物形态和分布等因素有关。若把共晶碳化物、夹杂物看作球形第二相，则在碳化物及夹杂物周围基体可产生的切向拉应力为

σt=(αi-αm )ΔTEiEm/[Ei(1+Vm)+2Em(1-Vi)]  (1)

式中αi，αm分别为第二相质点及基体的热膨胀系数；Ei，Em分别为第二相质点及基体的弹性模量；Vi，Vm分别为第二相质点及基体的泊松比；ΔT为热循环温度。用上式计算的H13钢在20℃和700℃之间循环加热冷却时第二相颗粒周围的拉应力达到628MPa，而H13钢在700℃时的高温屈服强度只有430MPa，此时基体早已屈服变形，松驰应力，而第二相质点不随基体变形，使此处萌生微裂纹。因此减少钢中夹杂物数量及尺寸，细化碳化物粒度，有利于提高热疲劳性能。

钢的韧性的含义是阻止已有裂纹在拉伸负荷作用下扩展的能力。韧性与钢的组织有密切的关系，组织越细小均匀，韧性越高。因此“超细化处理”非常有利于热疲劳性能的提高。

采用UDDEHOLM 自约束热疲劳试验法对国产优质H13钢和经过高温均质化及超细化处理的SWPH13钢的热疲劳性能试验结果表明，SWPH13钢的热疲劳性能优于国产优质H13钢。

为了便于比较，我们引入裂纹损伤因子D的概念，计算方法为

D=A•W/L  (2)

其中A为热疲劳裂纹面积；W为主裂纹宽度；L为表面裂纹总长度。

⒍等向性能

由于钢中存在诸多缺陷，如非金属夹杂物、成分偏析、碳化物偏析等将会导致模块各个方向的性能存在差异，影响模具的使用。这是目前国产H13钢普遍存在的问题。

H13钢中的碳化物偏析常呈条带状分布，导致模具产生各向异性。高温均质化处理可减少钢中碳化物的偏析，有利于改善钢的各向异性。同时采用多向锻造的方法可使钢中的碳化物分布趋于均匀。这两项技术均应用到SWPH13热作模具钢的研究当中，使模块心部试样的冲击韧度横纵比达到0.8以上，模块的各向异性显著改善。

㈣SWPH13热作模具钢的质量水准

在普通H13钢的基础上，采用EAF+LFV+PESR精炼，电渣锭采用高温均质化处理，模块采用超细化处理等多项核心技术，使SWPH13钢的各项性能指标超过了具有国际先进水平的NADCA#207标准(NADCA Die Materials Committee．NADCA#207-97 Premium Quality H-1 3 steel Acceptance Criteria for Pressure Die Casting Dies［S］．1997．)要求，达到了瑞典UDDEHOKM的ASSAB8407钢的水平。

⒈化学成分

SWPHl3与ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢的化学成分(wt％)

SWPHl3：C0.40；Si0.99；Mn0.32；Cr5.35；Mo1.49；V1.04；Ni0.08；P0.005；S0.001；Cu0.12；Pb0.001；Sb0.001；As0.008；Sn0.01；O13×10-6；N135×10-6

ASSAB8407：C0.40；Si1.00；Mn0.42；Cr5.17；Mo1.49；V0.97；Ni0.08；P0.010；S0.001；Cu0.06；Pb0.002；Sb0.004；As0.010；Sn0.01；O7×10-6；N122×10-6

关键元素P、S的含量均达到了ASSAB8407钢的水平。

⒉退火组织及带状组织(按NADCA207标准评定)

SWPH13与ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢退火组织及带状组织对比

钢号                    退火组织            带状组织

SWPHl3                   A2                    B

ASSAB8407             A2                    B

⒊非金属夹杂物

SWPH13与ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢的非金属夹杂物

钢号               A细  A粗  B细  B粗  C细  C粗  D细  D粗

SWPHl3          0.5   0.0   0.5   0.5   0.0   0.0   1.0   0.5

ASSAB8407    0.5   0.0   1.0   1.0   0.0   0.0   0.5   0.5

⒋冲击功

采用淬回火态55mm×10mm×7mm无缺口试样进行冲击功检验，SWPH13钢的纵向表面、心部及横向表面的淬回火态冲击功与ASSAB8407钢相当；而其横向心部冲击功明显高于ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢，表面横纵比达到1，心部横纵比达到0.84，ASSAB 8407钢心部横纵比为0.85，SWPH13钢显示出良好的等向性能。

⒌热疲劳性能

SWPHl3钢循环3000周次后热疲劳裂纹形貌与ASSAB 8407(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢一样呈细小网络状分布。同时，SWPHl3钢的表面裂纹损伤因子好于ASSAB 8407钢，热疲劳性能略好于ASSAB 8407钢。

以上性能对比说明，SWPH13钢的性能已经达到瑞典ASSAB 8407钢的水平。五钢公司的精品热作模具钢SWPH13已经应用于一汽集团汽车零部件成型模具，热处理及加工性能良好。

㈤提高Hl3热作模具钢质量的途径

五钢公司研制的SWPH13热作模具钢之所以能够达到国际一流水平，是因为在一些核心技术方面有所突破，形成了自主知识产权(一种5％Cr热作模具钢热处理方法，专利号为01113411.9)，为国产热作模具钢质量水平的提高探索出了一条有效的途径。归纳起来主要为以下几方面：

⒈提高标准要求

目前国内H13钢是按GB/T1299—2000标准生产的，该标准仅对低倍、硬度、脱碳层等指标规定了要求，而对热作膜具钢使用性能影响较大的关键指标却没有提及。而五钢公司的SWPH13热作模具钢完全按照北美压铸协会的标准NADCA207的要求进行研制，从而大幅度提升了国产H13钢的质量水平。

⒉采用先进工艺生产

应用一系列新技术、新工艺，采用炉外精炼、保护气氛电渣重熔、高温均质化处理、超细化处理、多向锻造等技术提高钢的纯净度，减少碳化物带状偏析，均匀及细化组织及碳化物，从而提高了等向性能及热疲劳性能。

㈥综述

虽然我国模具钢尤其是高质量模具钢与国际先进水平相比还有一定的差距，但在某些方面已有所突破。SWPH13热作模具钢的质量已经达到国际一流水平，标志着我国在应用最广泛的热作模具钢方面取得了长足的进步。同时也应看到，国产模具钢在产品技术标准、销售、最终热处理及使用技术等方面与工业发达国家相比仍有差距。优良的材质是提高模具寿命的基础，型腔制作后的最终热处理及模具的合理使用也是至关重要的。应进一步研究模具钢的最终热处理，为用户提供技术支撑，才能使国产模具钢全面赶超国际先进水平。