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热作模具钢SDH8与H13的强韧性对比研究
摘要：在热作模具钢H13的基础上降低Si、V的含量，提高Mo的含量，研制了新钢种SDH8。通过硬度、冲击韧性和热稳定性对比试验对SDH8和H13进行了研究，结果表明：在同样的熔炼及常规热处理条件下，SDH8的强韧性和热稳定性明显高于H13。
1 引言
随着现代制造技术的迅速发展,越来越多的零件采用压铸、热挤压、热锻等热加工工艺成形。这类成形模具是在非常恶劣的服役条件下工作的，不但要承受高温拉、压、冲击等应力的作用,还经常与炽热的金属相接触，受到高温磨损、氧化以及急冷急热周期性温度变化的作用。因此，热作模具钢要求材料不但要具有良好的高温强韧性、抗冷热疲劳性、抗回火软化能力，还要具有一定的淬透性、耐磨性、耐熔损性和导热性等综合机械性能【1，2】。
H13是马氏体型热作模具钢,以Cr 、Mo 、V 等元素为主要合金化元素, 具有良好的热强性、韧性和淬透性,优良的抗热裂能力,中等的抗回火软化能力和抗脱碳能力，是一种强韧兼有的空冷硬化型热作模具用钢【3】。H13在世界上的应用极其普遍,各国学者针对H13的冶炼、热加工、热处理技术以及不同场合模具的使用技术进行了广泛地研究。钢的组织结构和优良性能根本上是由其化学成分决定的，因此国内外许多学者也正在努力探究其化学成分的改进以获得具有较低冶炼成本、合金化最合理又具有最佳组织结构和优良性能的钢种。目前，国内外改进型H13的合金化思路包括将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，将Mn含量控制在0.40%～0.55%范围内，如ASSAB公司的Dievar；加入微合金元素Nb、Ti等【4】。Uddeholm公司为了开发耐高温达650℃时具有高寿命的热作模具钢, 提出含碳含硅较高的低Cr高Mo的HOTVAR专利钢。该钢同时兼具优良的耐热磨损性、高温强度和热态硬度, 特别适用于制做易于在热磨损或塑性变形条件下失效的模具。这些模具有铝管挤压模具,热弯曲、热校正模,进级锻打、摆锻、滚锻和温锻(在650℃~950℃范围内锻造)条件下工作的模具等。该钢相应的化学成分为: 0.55C-1.0Si-0.75Mn- 2.6Cr- 2.25Mo- 0.85V【5】。日本田部博辅明确指出对SKD61钢（相当于H13）进行成分改进, 其主要是向低Si高Mo方向发展。低Si化方向最初是从对大型钢块内部偏析大大改善的低Si-VCD炼钢技术受到启发；另一方面高Mo化方向是由德国X40CrMoV5-3(1.2367)和3Cr型SKD61钢具有优良的高温强度和淬透性来确定的【6】。国内上海大学吴晓春等对新型热作模具钢合金成分设计中考虑加入铌,并指出4Cr5Mo3SiVNb钢在650℃回火时仍能保持45HRC硬度，并具有更高的综合机械性能【7】。目前,低Si高Mo的合金化途径和加入Nb合金化的方法是H13钢成分设计上的两种趋势。在这样的技术背景下，本文通过力学性能对比试验和热稳定性对比试验，研究了低Si高Mo的H13改进型热作模具钢SDH8。
2 试样制备及试验方法
2．1试样制备及材料成分
采用同样的冶炼工艺对SDH8和H13进行感应熔炼、电渣重熔、锻造及退火，得到60×60mm方料、Φ15mm圆棒料。分别在60×60mm方料上取冲击试样，在Φ15mm圆棒料上取热稳定性试样。SDH8在H13的基础上降低了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变。
2．2 试验方法
2．2．1强韧性对比试验
强韧性是热作模具钢最重要的力学性能之一。为了对比SDH8与H13的强韧性，本文采用同样的热处理工艺及试验条件对这两种钢进行了室温无缺口冲击对比试验，并测定各试样硬度,根据试样的硬度和冲击韧性对比两种钢的强韧性。
室温无缺口冲击对比试验中，SDH8与H13的试样尺寸为7×10×55mm（按北美压铸协会标准NADCA207-97【8】进行），热处理工艺如表1所示，热处理后在JB30冲击试验机上进行室温无缺口冲击。
表1 热处理工艺
编号 |
工艺 |
1＃ |
1020℃低温淬火—570℃*2h回火+610℃*2h二次回火 |
2＃ |
1060℃中温淬火—570℃*2h回火+615℃*2h二次回火 |
3＃ |
1100℃高温淬火—570℃*2h回火+620℃*2h二次回火 |
4＃（双重淬火） |
1100℃高温淬火—700℃*2h回火+1＃ |
2．2．2热稳定性对比试验
将尺寸为Φ15×10mm的SDH8和H13热稳定性试样分别在1020℃、1060℃和1100℃温度下淬火，610二次回火在600℃分别保温3h、6h、9h、11h、13h、15h、17h和20h。测定在此温度下，回火硬度随保温时间的变化规律，并比较淬火温度对回火硬度的影响。
3 试验结果与分析
3．1强韧性
SDH8与H13在四种热处理工艺下的室温冲击对比试验结果如图1所示。显然，1100℃高温淬火（3＃工艺）时SDH8与H13的冲击韧性最差，两者冲击功较为接近，其他三种工艺条件下SDH8的冲击韧性都明显高于H13。硬度对比如图2所示，四种工艺条件下SDH8的硬度都高于H13，1100℃到1020℃温度范围内，淬火温度越低，SDH8和H13的硬度差值越大。