邢钢XG418锻制模块的质量分析

邢钢XG418锻制模块的质量分析

于彬  郭保善  李昭澎  赵虎  姜方

（邢台钢铁有限责任公司  邢台  054027）

摘  要：邢台钢铁有限责任公司通过对H13热作模具钢进行化学成分优化，改进开发出更适用于高端汽车压铸模具的XG418模具钢。XG418锻制模块通过了INTECO气氛保护抽锭式电渣炉进行电渣重熔，再经高温扩散、多向锻造及超细化等工艺流程。取模块心部试样进行化学成分、非金属夹杂物、金相组织及冲击性能进行检验分析,各项工艺指标均超过北美压铸协会NADCA#207标准中高级优质钢的要求。

关键词：模具钢；锻制模块；显微组织；冲击韧性

1 前言

随着我国汽车工业的迅速发展，汽车压铸模具钢的需求量也越来越多，并对压铸模具的使用性能提出了更高的要求。目前我国广泛应用的热作模具钢主要是H13和3Cr2W8V。尤其是H13钢，因具有良好的强韧性及热疲劳性能性能，早已被我国引入并大力推广，但H13的工作温度不能高于600℃，红硬性能较差。而3Cr2W8V是公认的高热强性热作模具钢，热稳定性高，使用温度达650℃，但冲击韧性较差[1]。邢钢开发的XG418钢种是通过在H13钢的基础上进行了降Si增Mo的调整，优化生产工艺流程，以提升材料的抗冲击性能及高温稳定性。

2 材料制备与检验方法

2.1 材料制备

XG418锻制模块的生产工艺为：电极坯→气氛保护抽锭式电渣重熔（φ600mm）→高温扩散→压机多向锻造→超细化→球化退火。最终模块规格为250mm×700mm。化学成分如表1所示。

表1 XG418模块的化学成分（%）

2.2 检验方法

沿模块横截面，取截面心部金相试样。金相试样沿钢锭纵向方向经磨抛后，使用4%硝酸酒精侵蚀观察其显微组织。如图1示意取样，并以1030℃×0.5h淬火＋600℃×2h两次回火的热处理工艺进行调质处理。按照美国压铸协会标准（NADCA#207-2011），冲击试验采用10mm×10mm×55mm的V型缺口横向试样，冲击试验在上述淬回火处理状态下进行。

3 检验结果与分析讨论

3.1 非金属夹杂物

以EAF-LF-VD-MC-ESR工艺生产的铬钼系热作模具钢锻材主要的夹杂物主要为Al2O3复合夹杂、方形TiN或（Ti，V）N、VC及少量硫化物等[2]。邢钢因电渣重熔过程具有密闭性较好的气氛保护环境（罩内在线氧含量＜100ppm），有效隔绝重熔过程中氧氮的吸入。由于氧含量较低，故氧化物数量较少，以不规则的球形Al2O3及其复合为主，大部分尺寸5μm左右。由于电渣锭氮含量控制＜100ppm，且严格控制原料坯中Ti含量＜50ppm，有效的控制住TiN类硬质夹杂的析出。电渣重熔过程中几乎将S元素去除（[S]＜10ppm）避免少量MnS类夹杂的存在。如图2所示，抽锭式的重熔方式，对抽出部分进行有效的空冷，较强的冷却强度，减少了共晶碳化物的析出尺寸，再经锻造环节的高温均质化处理，完全得以消除。因此XG418锻件的夹杂物主要以少量小尺寸的Al2O3或其复合为主。如表2所示，XG418模块非金属夹杂物评级结果完全满足NADCA#207标准中对高级优质钢的要求水平。

表2  XG418模块非金属夹杂物级别

3.2 退火组织

XG418同H13一样，均为空冷硬化热作模具钢，含有大量的Cr、Mo、V等合金元素，属过共析钢。在凝固时的枝晶偏析会导致在钢锭的枝晶间形成大块共晶碳化物，锻制或轧制过程易破碎成不规则的硬质角状小块，破坏基体稳定性，影响压铸模具使用寿命[3]。XG418通过抽锭的方式，增强冷却强度，减弱晶间偏析，控制共晶碳化物偏析尺寸，再经1250℃以上的长时间高温均质处理，最终达到材料的无液析水平。

材料心部组织为凝固过程中偏析最为严重区域，且在锻造环节为最难锻透区域，因此选择对250mm厚模块的中心部样品的金相组织进行检测分析。如图3所示，经高温均质及多向锻造后，带状组织较浅，偏析明显改善。金相组织为铁素体基体上均匀分布二次碳化物的球化退火态组织。以NADCA#207-2011标准要求，观察材料50倍带状组织图及500倍退火组织图，并与标准对比，带状组织达AS2级别，退火组织达AS3级别，属NADCA标准中较好水平。

3.3 晶粒度

φ600mm规格电渣锭由于尺寸效应，原始铸态晶粒粗大，再经1250℃以上的长时间高温均质处理，在扩散消除共晶碳化物的同时，长时间处于材料的奥氏体化温度以上，必然会导致晶粒长大。因此，需经大锻比的多向镦拔工艺破碎晶粒，结合锻后淬水及后期超细化热处理，达到细化晶粒，提高材料冲击性能的目的。

XG418模块经上述工艺后，如图4所示，晶粒尺寸明显细化，以NADCA#207标准要求热处理后，晶粒度达8.5级，超出标准要求的7级水平。

3.4 横向冲击试验

依照NADCA#207标准在模块心部平行取五组样品，调质硬度控制在44-46HRC，进行横向V口室温冲击试验，冲击试验结果如表3所示，平均冲击值达24.8J，超NADCA#207-2011标准中高级优质钢冲击韧性不低于13.56J/cm²的要求。其冲击断口的扫描电镜微观图如图5所示，五个试样断口均呈现出准解理平面加韧窝的典型冲击断口特征，等轴韧窝大小均匀，且韧窝较深，体现出材料较好的冲击韧性。^[4]

表3 XG418模块冲击试验结果

4 结论

邢钢XG418在H13的基础上经化学成分及电渣锻造热处理工艺的优化，以北美压铸协会的NADCA207-2011标准内的验收标准，对化学成分、非金属夹杂物、晶粒度、显微组织及冲击性能进行了检验分析。XG418锻制模块的产品质量已达到标准要求的高级优质钢水平，并经客户使用反馈，压铸模具使用寿命较H13材料有显著提升。

参考文献

[1] 陈英伟，吴晓春．热作模具钢1.2367的性能研究[J]．上海金属，2009，31（6）：1-5．

[2] 刘建华，阳燕等．H13模铸钢锭中夹杂物的分布解剖[J]．北京科技大学学报，2011，33（增刊1）：179-184．

[3] 李凤艳，马党参等．高温扩散-超细化H13模具钢的组织和性能[J]．特殊钢，2008，29（3）：63-65．

[4] 周健，马党参等．4Cr5Mo2V热作模具钢组织和性能研究[J]．特钢技术，2008，14（56）：12-16．