摘要： 東北特殊鋼大連基地利用本身設備及技術優勢，開發出一系列生產工藝，試製出滿足北美壓鑄協會NADCA207優質鋼標準要求的ф140-800mm鍛造棒材，經過用戶鑑定滿足使用要求，特別是Ф600-800mm直徑的棒材半徑二分之一處的球化組織也完全滿足該標準的要求，爲技術上的一大突破。
關鍵詞： H13;鋁擠壓用鋼;顯微組織
引言
由於擠壓鋁材時溫度在450-480℃左右，擠壓壓力高達2000MPa以上，因此對使用的模具材料要求十分苛刻。特別是近年來隨着鋁擠壓制品異型化、大型化以及大型擠壓機的(2.5萬噸)的投產，對模具材料的質量要求越來越高，規格也越來越大。爲降低成本、滿足一腔多模的要求，一些鋁擠壓模具廠將直接用於製作模具的規格增大，並提出棒材退火組織達到NADCA207-2003中AS1-AS3，BS1-BS2的質量水平。
1、國內試製現狀
以往國內生產的高質量H13棒材極限規格爲650mm，大規格模具均採用進口或小規格鍛質棒材鐓粗鍛造而成，增加了生產成本和週期。東北特殊鋼集團大連基地在利用本身設備優勢，經過近一年的工藝開發及研究，試製出最大直徑爲800mm的高檔次模具用鍛造H13棒材，經過用戶檢驗完全滿足使用要求。特別是600-800mm直徑的棒材球化組織也完全達到NADCA207標準AS1-AS3，BS1-BS2水平，爲技術上的一大突破。
2、試製工藝
2.1 試製工藝路線 轉爐+精煉+連鑄+電渣+鍛造+超細化處理+球化處理。
2.2 化學成分的控制 根據各元素對鋼材性能的影響，控制C在中限、Si、Mn在中上限、S≤0.003%，改善縱橫向性能比，P≤0.015%，Mo、Cr在中上限，改善衝擊和抗疲勞性能，V中下限，控制鋼的韌性和偏析水平。特別是有意將影響模具壽命的Cu元素控制在0.020%以下。
2.3 連鑄坯冶煉控制 冶煉時採用轉爐鐵水，去除有害元素P、Cu含量，加強控制鋼中的脫氧，脫硫，並經過真空處理，去除鋼的氣體N含量，降低鋼中夾雜物水平。完成了連鑄上臺溫度、連鑄的拉速、二冷水，電磁攪拌和輕壓下工藝的最優配合，減少連鑄坯的偏析。
2.4 電渣 分析了不同規格連鑄坯質量，選取了小規格連鑄坯作爲電極坯料，減少了電極坯料的偏析程度，控制合適的充填比、渣系、渣量和溶化速度。東特大連的電渣採用恆溶速，一隻電極坯料對一隻電渣錠，不存在交換電極問題，因此電渣錠的質量穩定，組織偏析微小，爲後期加熱擴散控制奠定基礎。
2.5 鍛造
2.5.1 高溫擴散技術的應用 電渣時鋼錠的選分結晶結果導致鋼材存在帶狀和一次碳化物，容易造成應力集中，引起模具的早期開裂。採用高溫擴散技術能使碳化物分解熔入周圍基體中，並減輕帶狀偏析程度。椐資料介紹[1]，H13鋼經高溫均勻化，其衝擊功均較未擴散處理的試樣高1倍以上。生產中我們經過反覆試驗研究，確定了該鋼種的高溫擴散工藝，達到了良好效果。
2.5.2 鍛造方法的研究 進行了拔長、一次鐓拔、多次多向鐓拔試驗和不同壓下變形率配合試驗等鍛造方法研究，最終確定了鐓拔+變形率相結合的生產工藝。鋼材經過高溫擴散+鐓拔滲透變形得鍛造工藝，可保證最終組織均勻一致。尤其大於450mm-800mm直徑的棒材由於採用東特大連獨有的80MN壓機進行大壓下的鐓拔，變形充分，對組織的破碎十分有效。
2.6 超細化及球化處理 在細化處理時根據鋼種的特點，結合相圖進行控制，既消除網狀，細化組織，又防止裂紋。經過精心計算，確定合適加熱溫度，使碳化物部分溶解，這樣保有部分未溶碳化物，利於球化處理[2]。其次對冷卻環節進行嚴格控制，使內部溫度儘快返到外部，保持內部溫度快速降低。經過各規格的生產試製取得了良好的'組織細化效果。關於球化處理，有資料介紹[2]，當原始組織爲馬氏體或貝氏體時，這樣更有利於球狀碳化物的形成。對於大規格600-800mm的棒材生產確定了一套特殊的超細化及球化工藝，保證了球化質量。
3、試製結果
3.1 化學成分 鋼的化學成分見表1。值得注意的是，東北特殊鋼採用轉爐鐵水鍊鋼，因此鋼中的N含量、Cu含量都很低，Cu含量達到最小0.09%，最高0.12%，平均爲0.10%，這降低了模具鋼的室溫脆性;而採用轉爐鐵水鍊鋼可保證低的氮含量範圍在80-130ppm，氧含量≤15ppm，明顯降度鋼中的B類和D類夾雜物。從成分看，鋼的P、S水平都達到了國內先近水平，但與瑞典8407還有一定差距。
3.2 冶金質量水平
低倍組織、夾雜物水平見表2，可見，鋼的低倍組織均勻一致，夾雜物水平基本在0-0.5級左右。對成品半徑二分之一處退火組織進行觀察，結果如圖1所示，由500X顯微組織來看，800mm材料整體的珠光體球化效果都達到了北美壓鑄協會優質鋼的標準NADCA207-2003熱作模具鋼退火組織的合格標準，見圖1所示。與瑞典8407的珠光體碳化物顆粒的均勻性相當。國內其他廠家優質H13部分區域受組織遺傳性的影響，粒狀珠光體呈區域性的針葉狀。因此，大連基地生產的800mm直徑棒材組織已經完全達到了國外先進水平300mm直徑的棒材組織，這是東特大連獨特之處。
3.3 鋼材的橫向性能 對棒材透過鋼材半徑二分之一處切取7mm×10mm的無缺口試樣(每批取3個試樣)進行橫向衝擊檢驗，在保護性介質中調質使試樣硬度在45±2HRC，然後再WE-100萬能試驗機上進行室溫衝擊試驗，試驗結果發現，隨着棒材直徑的增大沖擊功下降，在300mm以下棒材衝擊功大於250-300J，但大規格的棒材衝擊值不斷降低，在620mm直徑時，衝擊值爲147J，這也較國內其他優質鋼高出20J。
3.4 批量生產及用戶使用的反饋情況 採用以上高純度、低偏析的冶金質量控制、高溫擴散技術應用、鍛後組織細化處理及球化工藝控制，大連基地生產了幾百批次，規格以300-800mm直徑爲主，產出材2000餘噸，目前均已經交付用戶使用，據用戶反饋鋼材完全可以滿足使用要求。
4、討論及未來改進方向
從表1可知，目前大連生產的H13鋁擠壓棒材化學成分控制得當[3]，雜質含量低，S、P均可達到國內優質鋼的水平，與瑞典8407的水平接近，Cu、N元素目前在國內也屬於領先水平。從表2可見，鋼中低倍質量良好，夾雜物的含量基本與瑞典8407的水平相當，這都爲優質模具提供了基礎保證。