铝型材挤压机用钢H13锻材的研制
摘要： 东北特殊钢大连基地利用本身设备及技术优势，开发出一系列生产工艺，试制出满足北美压铸协会NADCA207优质钢标准要求的ф140-800mm锻造棒材，经过用户鉴定满足使用要求，特别是Ф600-800mm直径的棒材半径二分之一处的球化组织也完全满足该标准的要求，为技术上的一大突破。
关键词： H13;铝挤压用钢;显微组织
引言
由于挤压铝材时温度在450-480℃左右，挤压压力高达2000MPa以上，因此对使用的模具材料要求十分苛刻。特别是近年来随着铝挤压制品异型化、大型化以及大型挤压机的(2.5万吨)的投产，对模具材料的质量要求越来越高，规格也越来越大。为降低成本、满足一腔多模的要求，一些铝挤压模具厂将直接用于制作模具的规格增大，并提出棒材退火组织达到NADCA207-2003中AS1-AS3，BS1-BS2的质量水平。
1、国内试制现状
以往国内生产的高质量H13棒材极限规格为650mm，大规格模具均采用进口或小规格锻质棒材镦粗锻造而成，增加了生产成本和周期。东北特殊钢集团大连基地在利用本身设备优势，经过近一年的工艺开发及研究，试制出最大直径为800mm的高档次模具用锻造H13棒材，经过用户检验完全满足使用要求。特别是600-800mm直径的棒材球化组织也完全达到NADCA207标准AS1-AS3，BS1-BS2水平，为技术上的一大突破。
2、试制工艺
2.1 试制工艺路线 转炉+精炼+连铸+电渣+锻造+超细化处理+球化处理。
2.2 化学成分的控制 根据各元素对钢材性能的影响，控制C在中限、Si、Mn在中上限、S≤0.003%，改善纵横向性能比，P≤0.015%，Mo、Cr在中上限，改善冲击和抗疲劳性能，V中下限，控制钢的韧性和偏析水平。特别是有意将影响模具寿命的Cu元素控制在0.020%以下。
2.3 连铸坯冶炼控制 冶炼时采用转炉铁水，去除有害元素P、Cu含量，加强控制钢中的脱氧，脱硫，并经过真空处理，去除钢的气体N含量，降低钢中夹杂物水平。完成了连铸上台温度、连铸的拉速、二冷水，电磁搅拌和轻压下工艺的最优配合，减少连铸坯的偏析。
2.4 电渣 分析了不同规格连铸坯质量，选取了小规格连铸坯作为电极坯料，减少了电极坯料的偏析程度，控制合适的充填比、渣系、渣量和溶化速度。东特大连的电渣采用恒溶速，一只电极坯料对一只电渣锭，不存在交换电极问题，因此电渣锭的质量稳定，组织偏析微小，为后期加热扩散控制奠定基础。
2.5 锻造
2.5.1 高温扩散技术的应用 电渣时钢锭的选分结晶结果导致钢材存在带状和一次碳化物，容易造成应力集中，引起模具的早期开裂。采用高温扩散技术能使碳化物分解熔入周围基体中，并减轻带状偏析程度。椐资料介绍[1]，H13钢经高温均匀化，其冲击功均较未扩散处理的试样高1倍以上。生产中我们经过反复试验研究，确定了该钢种的高温扩散工艺，达到了良好效果。
2.5.2 锻造方法的研究 进行了拔长、一次镦拔、多次多向镦拔试验和不同压下变形率配合试验等锻造方法研究，最终确定了镦拔+变形率相结合的生产工艺。钢材经过高温扩散+镦拔渗透变形得锻造工艺，可保证最终组织均匀一致。尤其大于450mm-800mm直径的棒材由于采用东特大连独有的80MN压机进行大压下的镦拔，变形充分，对组织的破碎十分有效。
2.6 超细化及球化处理 在细化处理时根据钢种的特点，结合相图进行控制，既消除网状，细化组织，又防止裂纹。经过精心计算，确定合适加热温度，使碳化物部分溶解，这样保有部分未溶碳化物，利于球化处理[2]。其次对冷却环节进行严格控制，使内部温度尽快返到外部，保持内部温度快速降低。经过各规格的生产试制取得了良好的'组织细化效果。关于球化处理，有资料介绍[2]，当原始组织为马氏体或贝氏体时，这样更有利于球状碳化物的形成。对于大规格600-800mm的棒材生产确定了一套特殊的超细化及球化工艺，保证了球化质量。
3、试制结果
3.1 化学成分 钢的化学成分见表1。值得注意的是，东北特殊钢采用转炉铁水炼钢，因此钢中的N含量、Cu含量都很低，Cu含量达到最小0.09%，最高0.12%，平均为0.10%，这降低了模具钢的室温脆性;而采用转炉铁水炼钢可保证低的氮含量范围在80-130ppm，氧含量≤15ppm，明显降度钢中的B类和D类夹杂物。从成分看，钢的P、S水平都达到了国内先近水平，但与瑞典8407还有一定差距。
3.2 冶金质量水平
低倍组织、夹杂物水平见表2，可见，钢的低倍组织均匀一致，夹杂物水平基本在0-0.5级左右。对成品半径二分之一处退火组织进行观察，结果如图1所示，由500X显微组织来看，800mm材料整体的珠光体球化效果都达到了北美压铸协会优质钢的标准NADCA207-2003热作模具钢退火组织的合格标准，见图1所示。与瑞典8407的珠光体碳化物颗粒的均匀性相当。国内其他厂家优质H13部分区域受组织遗传性的影响，粒状珠光体呈区域性的针叶状。因此，大连基地生产的800mm直径棒材组织已经完全达到了国外先进水平300mm直径的棒材组织，这是东特大连独特之处。
3.3 钢材的横向性能 对棒材通过钢材半径二分之一处切取7mm×10mm的无缺口试样(每批取3个试样)进行横向冲击检验，在保护性介质中调质使试样硬度在45±2HRC，然后再WE-100万能试验机上进行室温冲击试验，试验结果发现，随着棒材直径的增大冲击功下降，在300mm以下棒材冲击功大于250-300J，但大规格的棒材冲击值不断降低，在620mm直径时，冲击值为147J，这也较国内其他优质钢高出20J。
3.4 批量生产及用户使用的反馈情况 采用以上高纯度、低偏析的冶金质量控制、高温扩散技术应用、锻后组织细化处理及球化工艺控制，大连基地生产了几百批次，规格以300-800mm直径为主，产出材2000余吨，目前均已经交付用户使用，据用户反馈钢材完全可以满足使用要求。
4、讨论及未来改进方向
从表1可知，目前大连生产的H13铝挤压棒材化学成分控制得当[3]，杂质含量低，S、P均可达到国内优质钢的水平，与瑞典8407的水平接近，Cu、N元素目前在国内也属于领先水平。从表2可见，钢中低倍质量良好，夹杂物的含量基本与瑞典8407的水平相当，这都为优质模具提供了基础保证。