邢鋼XG418鍛制模塊的質量分析

于彬  郭保善  李昭澎  趙虎  姜方

（邢臺鋼鐵有限責任公司  邢臺  054027）

摘  要：邢臺鋼鐵有限責任公司通過對H13熱作模具鋼進行化學成分優化，改進開發出更適用于高端汽車壓鑄模具的XG418模具鋼。XG418鍛制模塊通過了INTECO氣氛保護抽錠式電渣爐進行電渣重熔，再經高溫擴散、多向鍛造及超細化等工藝流程。取模塊心部試樣進行化學成分、非金屬夾雜物、金相組織及沖擊性能進行檢驗分析,各項工藝指標均超過北美壓鑄協會NADCA#207標準中高級優質鋼的要求。

關鍵詞：模具鋼；鍛制模塊；顯微組織；沖擊韌性

1 前言

隨著我國汽車工業的迅速發展，汽車壓鑄模具鋼的需求量也越來越多，并對壓鑄模具的使用性能提出了更高的要求。目前我國廣泛應用的熱作模具鋼主要是H13和3Cr2W8V。尤其是H13鋼，因具有良好的強韌性及熱疲勞性能性能，早已被我國引入并大力推廣，但H13的工作溫度不能高于600℃，紅硬性能較差。而3Cr2W8V是公認的高熱強性熱作模具鋼，熱穩定性高，使用溫度達650℃，但沖擊韌性較差[1]。邢鋼開發的XG418鋼種是通過在H13鋼的基礎上進行了降Si增Mo的調整，優化生產工藝流程，以提升材料的抗沖擊性能及高溫穩定性。

2 材料制備與檢驗方法

2.1 材料制備

XG418鍛制模塊的生產工藝為：電極坯→氣氛保護抽錠式電渣重熔（φ600mm）→高溫擴散→壓機多向鍛造→超細化→球化退火。最終模塊規格為250mm×700mm。化學成分如表1所示。

表1 XG418模塊的化學成分（%）

2.2 檢驗方法

沿模塊橫截面，取截面心部金相試樣。金相試樣沿鋼錠縱向方向經磨拋后，使用4%硝酸酒精侵蝕觀察其顯微組織。如圖1示意取樣，并以1030℃×0.5h淬火＋600℃×2h兩次回火的熱處理工藝進行調質處理。按照美國壓鑄協會標準（NADCA#207-2011），沖擊試驗采用10mm×10mm×55mm的V型缺口橫向試樣，沖擊試驗在上述淬回火處理狀態下進行。

3 檢驗結果與分析討論

3.1 非金屬夾雜物

以EAF-LF-VD-MC-ESR工藝生產的鉻鉬系熱作模具鋼鍛材主要的夾雜物主要為Al2O3復合夾雜、方形TiN或（Ti，V）N、VC及少量硫化物等[2]。邢鋼因電渣重熔過程具有密閉性較好的氣氛保護環境（罩內在線氧含量＜100ppm），有效隔絕重熔過程中氧氮的吸入。由于氧含量較低，故氧化物數量較少，以不規則的球形Al2O3及其復合為主，大部分尺寸5μm左右。由于電渣錠氮含量控制＜100ppm，且嚴格控制原料坯中Ti含量＜50ppm，有效的控制住TiN類硬質夾雜的析出。電渣重熔過程中幾乎將S元素去除（[S]＜10ppm）避免少量MnS類夾雜的存在。如圖2所示，抽錠式的重熔方式，對抽出部分進行有效的空冷，較強的冷卻強度，減少了共晶碳化物的析出尺寸，再經鍛造環節的高溫均質化處理，完全得以消除。因此XG418鍛件的夾雜物主要以少量小尺寸的Al2O3或其復合為主。如表2所示，XG418模塊非金屬夾雜物評級結果完全滿足NADCA#207標準中對高級優質鋼的要求水平。

表2  XG418模塊非金屬夾雜物級別

3.2 退火組織

XG418同H13一樣，均為空冷硬化熱作模具鋼，含有大量的Cr、Mo、V等合金元素，屬過共析鋼。在凝固時的枝晶偏析會導致在鋼錠的枝晶間形成大塊共晶碳化物，鍛制或軋制過程易破碎成不規則的硬質角狀小塊，破壞基體穩定性，影響壓鑄模具使用壽命[3]。XG418通過抽錠的方式，增強冷卻強度，減弱晶間偏析，控制共晶碳化物偏析尺寸，再經1250℃以上的長時間高溫均質處理，最終達到材料的無液析水平。

材料心部組織為凝固過程中偏析最為嚴重區域，且在鍛造環節為最難鍛透區域，因此選擇對250mm厚模塊的中心部樣品的金相組織進行檢測分析。如圖3所示，經高溫均質及多向鍛造后，帶狀組織較淺，偏析明顯改善。金相組織為鐵素體基體上均勻分布二次碳化物的球化退火態組織。以NADCA#207-2011標準要求，觀察材料50倍帶狀組織圖及500倍退火組織圖，并與標準對比，帶狀組織達AS2級別，退火組織達AS3級別，屬NADCA標準中較好水平。

3.3 晶粒度

φ600mm規格電渣錠由于尺寸效應，原始鑄態晶粒粗大，再經1250℃以上的長時間高溫均質處理，在擴散消除共晶碳化物的同時，長時間處于材料的奧氏體化溫度以上，必然會導致晶粒長大。因此，需經大鍛比的多向鐓拔工藝破碎晶粒，結合鍛后淬水及后期超細化熱處理，達到細化晶粒，提高材料沖擊性能的目的。

XG418模塊經上述工藝后，如圖4所示，晶粒尺寸明顯細化，以NADCA#207標準要求熱處理后，晶粒度達8.5級，超出標準要求的7級水平。

3.4 橫向沖擊試驗

依照NADCA#207標準在模塊心部平行取五組樣品，調質硬度控制在44-46HRC，進行橫向V口室溫沖擊試驗，沖擊試驗結果如表3所示，平均沖擊值達24.8J，超NADCA#207-2011標準中高級優質鋼沖擊韌性不低于13.56J/cm²的要求。其沖擊斷口的掃描電鏡微觀圖如圖5所示，五個試樣斷口均呈現出準解理平面加韌窩的典型沖擊斷口特征，等軸韌窩大小均勻，且韌窩較深，體現出材料較好的沖擊韌性。^[4]

表3 XG418模塊沖擊試驗結果

4 結論

邢鋼XG418在H13的基礎上經化學成分及電渣鍛造熱處理工藝的優化，以北美壓鑄協會的NADCA207-2011標準內的驗收標準，對化學成分、非金屬夾雜物、晶粒度、顯微組織及沖擊性能進行了檢驗分析。XG418鍛制模塊的產品質量已達到標準要求的高級優質鋼水平，并經客戶使用反饋，壓鑄模具使用壽命較H13材料有顯著提升。

參考文獻

[1] 陳英偉，吳曉春．熱作模具鋼1.2367的性能研究[J]．上海金屬，2009，31（6）：1-5．

[2] 劉建華，陽燕等．H13模鑄鋼錠中夾雜物的分布解剖[J]．北京科技大學學報，2011，33（增刊1）：179-184．

[3] 李鳳艷，馬黨參等．高溫擴散-超細化H13模具鋼的組織和性能[J]．特殊鋼，2008，29（3）：63-65．

[4] 周健，馬黨參等．4Cr5Mo2V熱作模具鋼組織和性能研究[J]．特鋼技術，2008，14（56）：12-16．