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熱作模具鋼SDH8與H13的強韌性對比研究
摘要：在熱作模具鋼H13的基礎上降低Si、V的含量，提高Mo的含量，研制了新鋼種SDH8。通過硬度、沖擊韌性和熱穩定性對比試驗對SDH8和H13進行了研究，結果表明：在同樣的熔煉及常規熱處理條件下，SDH8的強韌性和熱穩定性明顯高于H13。
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1?引言
隨著現代制造技術的迅速發展,越來越多的零件采用壓鑄、熱擠壓、熱鍛等熱加工工藝成形。這類成形模具是在非常惡劣的服役條件下工作的，不但要承受高溫拉、壓、沖擊等應力的作用,還經常與熾熱的金屬相接觸，受到高溫磨損、氧化以及急冷急熱周期性溫度變化的作用。因此，熱作模具鋼要求材料不但要具有良好的高溫強韌性、抗冷熱疲勞性、抗回火軟化能力，還要具有一定的淬透性、耐磨性、耐熔損性和導熱性等綜合機械性能【1，2】。
H13是馬氏體型熱作模具鋼,以Cr?、Mo?、V?等元素為主要合金化元素,?具有良好的熱強性、韌性和淬透性,優良的抗熱裂能力,中等的抗回火軟化能力和抗脫碳能力，是一種強韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼【3】。H13在世界上的應用極其普遍,各國學者針對H13的冶煉、熱加工、熱處理技術以及不同場合模具的使用技術進行了廣泛地研究。鋼的組織結構和優良性能根本上是由其化學成分決定的，因此國內外許多學者也正在努力探究其化學成分的改進以獲得具有較低冶煉成本、合金化最合理又具有最佳組織結構和優良性能的鋼種。目前，國內外改進型H13的合金化思路包括將Mn含量由0.20%～0.60%提高到0.75%，如QRO90 super, Super Me和HOTVAR；降低Si含量提高Mo含量，將Mn含量控制在0.40%～0.55%范圍內，如ASSAB公司的Dievar；加入微合金元素Nb、Ti等【4】。Uddeholm公司為了開發耐高溫達650℃時具有高壽命的熱作模具鋼,?提出含碳含硅較高的低Cr高Mo的HOTVAR專利鋼。該鋼同時兼具優良的耐熱磨損性、高溫強度和熱態硬度,?特別適用于制做易于在熱磨損或塑性變形條件下失效的模具。這些模具有鋁管擠壓模具,熱彎曲、熱校正模,進級鍛打、擺鍛、滾鍛和溫鍛(在650℃~950℃范圍內鍛造)條件下工作的模具等。該鋼相應的化學成分為: 0.55C-1.0Si-0.75Mn- 2.6Cr- 2.25Mo- 0.85V【5】。日本田部博輔明確指出對SKD61鋼（相當于H13）進行成分改進,?其主要是向低Si高Mo方向發展。低Si化方向最初是從對大型鋼塊內部偏析大大改善的低Si-VCD煉鋼技術受到啟發；另一方面高Mo化方向是由德國X40CrMoV5-3(1.2367)和3Cr型SKD61鋼具有優良的高溫強度和淬透性來確定的【6】。國內上海大學吳曉春等對新型熱作模具鋼合金成分設計中考慮加入鈮,并指出4Cr5Mo3SiVNb鋼在650℃回火時仍能保持45HRC硬度，并具有更高的綜合機械性能【7】。目前,低Si高Mo的合金化途徑和加入Nb合金化的方法是H13鋼成分設計上的兩種趨勢。在這樣的技術背景下，本文通過力學性能對比試驗和熱穩定性對比試驗，研究了低Si高Mo的H13改進型熱作模具鋼SDH8。
2?試樣制備及試驗方法
2．1試樣制備及材料成分
采用同樣的冶煉工藝對SDH8和H13進行感應熔煉、電渣重熔、鍛造及退火，得到60×60mm方料、Φ15mm圓棒料。分別在60×60mm方料上取沖擊試樣，在Φ15mm圓棒料上取熱穩定性試樣。SDH8在H13的基礎上降低了Si、V的含量，提高了Mo的含量，C和其他合金元素的含量基本保持不變。
2．2?試驗方法
2．2．1強韌性對比試驗
強韌性是熱作模具鋼最重要的力學性能之一。為了對比SDH8與H13的強韌性，本文采用同樣的熱處理工藝及試驗條件對這兩種鋼進行了室溫無缺口沖擊對比試驗，并測定各試樣硬度,根據試樣的硬度和沖擊韌性對比兩種鋼的強韌性。
室溫無缺口沖擊對比試驗中，SDH8與H13的試樣尺寸為7×10×55mm（按北美壓鑄協會標準NADCA207-97【8】進行），熱處理工藝如表1所示，熱處理后在JB30沖擊試驗機上進行室溫無缺口沖擊。
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表1???熱處理工藝??
編號 |
工藝 |
?? 1＃ |
1020℃低溫淬火—570℃*2h回火+610℃*2h二次回火 |
?? 2＃ |
1060℃中溫淬火—570℃*2h回火+615℃*2h二次回火 |
?? 3＃ |
1100℃高溫淬火—570℃*2h回火+620℃*2h二次回火 |
?? 4＃（雙重淬火） |
1100℃高溫淬火—700℃*2h回火+1＃ |
2．2．2熱穩定性對比試驗
將尺寸為Φ15×10mm的SDH8和H13熱穩定性試樣分別在1020℃、1060℃和1100℃溫度下淬火，610二次回火在600℃分別保溫3h、6h、9h、11h、13h、15h、17h和20h。測定在此溫度下，回火硬度隨保溫時間的變化規律，并比較淬火溫度對回火硬度的影響。
3?試驗結果與分析
3．1強韌性
???SDH8與H13在四種熱處理工藝下的室溫沖擊對比試驗結果如圖1所示。顯然，1100℃高溫淬火（3＃工藝）時SDH8與H13的沖擊韌性最差，兩者沖擊功較為接近，其他三種工藝條件下SDH8的沖擊韌性都明顯高于H13。硬度對比如圖2所示，四種工藝條件下SDH8的硬度都高于H13，1100℃到1020℃溫度范圍內，淬火溫度越低，SDH8和H13的硬度差值越大。