抚钢技术分享：铝挤压热作模具优质H13钢高温拉伸性能研究

3 高温力学性能

3.1 试验材料与试件

采用电炉＋电渣重熔冶炼方法控制非金属夹杂物及减少成分偏析， 采用 2,000MN 快锻机开坯＋1,000MN精锻机成材的成型工艺， 生产规格 ϕ 200mm成品圆钢。钢材退火后硬度≤229HB， 其化学成分、非金属夹杂物和超声波探伤满足相关标准要求。表2为优质 H13 钢的非金属夹杂物级别 （评级按 ASTME45标准检验） 。

从表2可以看出， 通过电炉＋LF＋VD＋电渣冶炼工艺生产的优质H13钢中各类夹杂物粗系均为0级，氧化物、 硫化物夹杂细系为1.0级， 纯净度满足要求。优质H13钢的力学性能试样取自圆钢横向截面中心处。试样尺寸为 ϕ 5mm长度70mm （机加工的圆形横截面直径尺寸公差为±0.05mm） ， 试样具体尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样

3.2 试验过程

按GB/T228规定检测室温拉伸性能， 按GB/T4338规定检测高温拉伸性能。采用TH300型洛氏硬度计、INSTRON4483型电子拉伸试验机及DDL150型高温拉伸试验机检测试样硬度及力学性能， 采用金相显微镜和EOX 18型扫描电子显微镜 （SEM） 进行组织及断口形貌观察和分析。

优质H13钢试样经热处理后， 硬度值达到44～46HRC。环境温度由箱式加热炉加热到规定的温度，然后保温 30min。试验温度依次为室温（25℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 其中温度偏差在±3℃。

3.3 试验结果

表3给出了7个试样的室温拉伸和高温拉伸试验结果， 根据试验结果得出优质H13钢屈服强度及抗拉强度随温度的变化规律， 如图2所示。

图2 优质H13钢高温拉伸性能

从表3中的数据可以看出， 在室温下优质H13钢抗 拉 强 度 达 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 钢 的1,400N/mm 2 具有更高的抗拉强度。随环境温度的升高， 优质H13钢的抗拉强度随之降低， 环境温度达到600℃以上时， 强度降低剧烈， 当环境温度升高至700℃时， 优质H13钢抗拉强度降低至315N/mm 2 。铝型材的挤压过程铝挤压模具承受高温作用， 表层温度可达540℃， 最大挤制压力可达800N/mm 2 以上， 模具须承受很高的压缩、 弯曲及剪切应力作用。

铝挤压优质H13钢一般在540℃以下服役， 本实验优质 H13 钢环境温度在 550℃时， 抗拉强度达到1,200N/mm 2 ， 有较高的强韧性和抗热疲劳性能， 可以满足铝型材的挤压过程铝挤压模具需要承受的高温和高压作用， 但在600℃以上情况下服役时， 其热强性急剧下降 [3] 。优质 H13 钢在 600℃条件下仍然具有945N/mm 2 的抗拉强度， 优质H13钢的高温力学性能保证了铝挤压模具在高温和高压环境下具有很高的强度， 即使在600℃高温环境下仍然具有一定的强度， 保证了铝挤压模具在挤压过程中的连续工作能力及稳定性。

4 显微组织

将优质H13钢高温拉伸试样进行抛光， 经4%硝酸酒精腐蚀1~2分钟， 使用金相显微镜在500倍下观察其显微组织， 如图3所示。

图3 优质H13钢显微组织 （500倍）

a — —1#室温拉伸试样 b — —2#400℃拉伸试样

c — —3#550℃拉伸试样 d — —4#600℃拉伸试样

优质H13钢经热处理后的组织主要为回火马氏体、 回火托氏体及部分剩余碳化物， 不同服役温度下的试样组织基本相同。优质H13钢在高温环境下服役， 有较高的强韧性和抗热疲劳性能。

5 断口SEM分析

高温拉伸试样的断口通过SEM进行扫描， 图4、图5给出了优质H13钢由室温到600℃拉伸试验的微观断口照片。

图4 优质H13钢高温拉伸断口微观形貌 （100倍）

a — —室温断口 b — —400℃断口

c — —550℃断口 d — —600℃断口）

图5 优质H13钢高温拉伸断口微观形貌 （1000倍）

a — —室温断口 b — —400℃断口

c — —550℃断口 d — —600℃断口

优质H13钢拉伸试样断口均为韧性断口， 材料断裂前发生了大量塑性变形， 原晶粒被拉长或破碎，不再保持原来的大小、 形状， 断口呈灰色无光泽的纤维状。试样产生韧性断裂， 在材料内部夹杂物、 析出相、晶界或其他塑性变形不连续处发生位错塞积， 产生应力集中， 进而开始形成显微孔洞， 长大串联后破断。同时， 在较高的温度下进行拉伸试验， 金属基体组织软化、 晶界弱化等， 拉伸试样断口形貌则呈现塑性断裂倾向 [4] 。

环境温度达到400℃以上时， 形成杯锥状断口。光滑试样在拉应力作用下， 局部出现 “颈缩” ， 在颈缩区形成三向拉应力状态 [5] ， 形成微孔后， 随着应力的增大， 微孔聚合成微裂纹， 最终扩展到样件表面， 形成杯锥状特征。

从试样微观断口形貌分析， 优质H13钢拉伸试样为微孔聚集型断裂 [6] ， 在外力作用下， 因强烈滑移位错堆积， 在局部地方， 如缩颈处， 产生许多显微孔洞， 即“韧窝” ， 这种孔洞在切应力作用下不断长大， 聚集连接， 并同时产生新的微小空间， 最终导致整个材料破断。随环境温度的升高， 断口的韧窝大而深， 说明优质H13钢基体塑性变形能力较强。

6 结论

（1） 抚顺特钢通过电炉＋电渣重熔、 精快锻联合成材生产出高质量的铝挤压模具用优质H13钢。

（2） 优质 H13 钢经热处理后硬度可以达到 44~46HRC， 在室温下抗拉强度达到1,601N/mm 2 。随环境温度的升高， 优质H13钢的抗拉强度随之降低， 在环境温度升高至700℃时， 优质H13钢抗拉强度降低至315N/mm 2 。

（3） 优质H13钢经热处理后的组织主要为回火马氏体、 回火托氏体及部分剩余碳化物。

（4） 通过断口SEM分析， 优质H13钢拉伸试样断口为韧性断裂， 从微观形貌属于微孔聚集型断裂， 说明优质H13钢基体塑性变形能力较强。（内容摘自模具制造）返回搜狐，查看更多