如何提高熱作模具鋼1.2344的橫向沖擊性能？
本文研究了冶煉工藝、化學(xué)成分、高溫?cái)U(kuò)散工藝、鍛后冷卻控制對(duì)1.2344鋼橫向沖擊性能的影響規(guī)律。
結(jié)果表明：電渣重熔工藝、磷元素含量控制、高溫?cái)U(kuò)散有利于提高鋼材的橫向沖擊性能，鍛后冷卻方法對(duì)鋼的顯微組織有一定影響。按照優(yōu)化工藝能生產(chǎn)出高等向性1.2344EFS鋼。
1.2344鋼是DIN標(biāo)準(zhǔn)(德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))中的熱作模具鋼，其化學(xué)成分與ASTM(美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))中的H13鋼較為接近。
兩者相比，1.2344鋼的化學(xué)成分控制更加嚴(yán)格。
隨著1.2344鋼應(yīng)用的日益廣泛，該鋼的各種性能檢驗(yàn)指標(biāo)也日趨嚴(yán)格。由1.2344鋼衍生的1.2344EFS(EFS為extra fine structure)鋼要求檢驗(yàn)鋼的顯微組織和橫向沖擊性能。對(duì)于國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)和模具行業(yè)而言，熱作模具鋼的橫向沖擊性能研究較少。
作者結(jié)合撫鋼的生產(chǎn)狀況，通過(guò)系統(tǒng)研究冶煉工藝、化學(xué)成分、高溫?cái)U(kuò)散工藝、鍛后冷卻控制對(duì)鍛制棒材橫向沖擊韌性的影響規(guī)律，為生產(chǎn)具有高等向性的熱作模具鋼1.2344EFS提供適合的關(guān)鍵控制工藝。
試驗(yàn)方案
進(jìn)行橫向沖擊性能研究的1.2344鋼鍛制棒材是撫鋼按照DIN-1980標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼材，其化學(xué)成分、低倍組織和超聲波探傷滿足相關(guān)要求。
為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，除進(jìn)行對(duì)比研究的工藝參數(shù)外，其他關(guān)鍵工藝參數(shù)(化學(xué)成分控制、鋼錠擴(kuò)散工藝、鍛造比、鍛后冷卻控制和球化熱處理工藝)均保持一致。
橫向沖擊試樣分別取自于圓鋼的1/2半徑處和中心處(扁鋼為1/4對(duì)角線處和中心處)，無(wú)缺口試樣尺寸為7mm×10mm×55mm。
沖擊試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度控制在44~46HRC的范圍內(nèi)。采用撫鋼質(zhì)量部中心試驗(yàn)室的A654RXY自動(dòng)端淬硬度機(jī)和ZBC-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣硬度和橫向沖擊性能。
冶煉工藝對(duì)橫向沖擊性能的影響
高質(zhì)量的模具鋼一般采用電爐+LF+VD工藝(以下簡(jiǎn)稱精煉鋼)或電爐+LF+VD+電渣重熔工藝(以下簡(jiǎn)稱電渣鋼)生產(chǎn)，兩者相比，電渣鋼在致密度、純凈度方面具有一定優(yōu)勢(shì)。
從表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在其他生產(chǎn)工藝相同的條件下，電渣鋼的橫向沖擊性能，特別是中心處的沖擊功明顯優(yōu)于精煉鋼，其中1/2半徑(或1/4對(duì)角線)處橫向沖擊性能提高了37.51%，中心處橫向沖擊性能提高了278.11%。
化學(xué)成分對(duì)橫向沖擊性能的影響
表2和表3分別表示兩批直徑為750mm的1.2344電渣鋼化學(xué)成分及其鍛成250mm×600mm扁鋼后的橫向沖擊性能。
表2和表3表明，在C、Mn、Si、S、Cr、V和Mo含量相近的條件下，磷元素的含量對(duì)鋼材的橫向沖擊性能有明顯影響。在0.020%~0.030%的范圍內(nèi)，磷含量增加0 0075%，鋼材橫向沖擊性能則下降了40~60J。
磷造成鋼的韌性下降主要是由于磷在晶界處偏聚會(huì)降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時(shí)降低脆斷應(yīng)力所致。
高溫?cái)U(kuò)散工藝對(duì)橫向沖擊性能的影響
1.2344鋼中舍有一定量的Cr、Mo和V等碳化物形成元素，其鑄態(tài)組織中的偽共晶碳化物主要為M7C3，M6C和MC，即Cr7C3，Mo8C和VC。
大量研究表明，上述共晶碳化物在1150-1200°C的溫度下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散，鑄態(tài)組織中的小顆粒的共晶碳化物能完全溶解到奧氏體中，而粗大的碳化物也可以通過(guò)擴(kuò)散溶解掉一部分，殘余的碳化物顆粒呈現(xiàn)表面能較低的球狀，與大顆粒碳化物相比，這些彌散分布的球狀碳化物對(duì)基體性能的影響較小。
圖1是1.2344鋼分別在1150°C(圖1a)和1200°C(圖1b)下保溫5h的微觀組織，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴(kuò)散溫度由1150C提高到1200°C，顯微組織中的大顆粒碳化物明顯減少，碳化物的分布更加彌散、均勻。
圖一 不同擴(kuò)散溫度下1.2344鋼圍觀組織
一般認(rèn)為，鋼錠的擴(kuò)散溫度在保證不過(guò)熱的前提下應(yīng)該采用盡可能高的溫度。但擴(kuò)散時(shí)間的長(zhǎng)短和不同生產(chǎn)企業(yè)的原始鋼錠條件有關(guān)，同時(shí)也在一定程度上影響生產(chǎn)周期和成本。
表4是對(duì)5t精煉鋼錠進(jìn)行不同擴(kuò)散時(shí)間的試驗(yàn)，結(jié)果表明在相同的擴(kuò)散溫度下，擴(kuò)散時(shí)間由5h增加到10h，可以有效增加鋼材的橫向沖擊性能，其中1/2半徑處提高了41.62%，中心處提高了35.85%。
鍛后冷卻方法對(duì)橫向沖擊性能的影響
1.2344鋼經(jīng)鐓粗和多火拔長(zhǎng)后具有較高的溫度，特別是鋼材的心部溫度通常在850~900°C，因此終鍛溫度和鍛后冷卻速度的控制直接影響了晶界處二次碳化物的析出。
一般而言，終鍛溫度越高，冷卻速度越慢，晶界處析出的二次碳化物越嚴(yán)重，一旦形成網(wǎng)狀碳化物，將在一定程度上影響鋼材的沖擊韌性。
鍛后冷卻方法采用了扁鋼噴水處理和空冷兩種，表5數(shù)據(jù)顯示兩種冷卻方法對(duì)橫向沖擊性能的影響沒(méi)有明顯差別，這可能是由于1.2344鋼具有較高的淬透性造成的。
但通過(guò)金相分析觀察發(fā)現(xiàn)：進(jìn)行噴水處理的扁鋼微觀組織更加均勻，而空冷處理的扁鋼微觀組織具有馬氏體特征。
1.2344EFS的生產(chǎn)試制
根據(jù)工藝試驗(yàn)的結(jié)果，高等向性1.2344EFS鋼采用精煉鋼冶煉工藝，其中磷元素和硫元素的含量分別控制在0.015%和0.004%以下，鋼錠在1200°C的溫度下擴(kuò)散了15h以上，鋼錠經(jīng)多向鍛造、控制冷卻及球化處理。
試生產(chǎn)鍛材200t，其顯微組織滿足NADCA207-1990(北美模鑄協(xié)會(huì)H13退火顯微組織評(píng)級(jí)圖)中合格級(jí)別，直徑小于300mm的鍛制圓鋼的橫向沖擊功達(dá)到1/2半徑處≥200J，中心處≥120J的技術(shù)要求。縱向沖擊功按300J計(jì)算，其等向性達(dá)到76.63%。
結(jié)論
(1)采用電渣重熔工藝、磷含量控制在≤0.020%、高溫?cái)U(kuò)散(時(shí)間根據(jù)錠型而定)有利于提高鋼材的橫向沖擊性能。
(2)鍛后冷卻速度對(duì)鋼的顯微組織有一定影響，冷卻速度越快，鋼的顯微組織細(xì)化趨勢(shì)越明顯。
(3)采用電爐十LF+VD精煉工藝，控制磷含量≤0.015%，鋼錠在1200°C擴(kuò)散15h以上，采用多向鍛造、鍛后水冷及球化處理工藝，可以生產(chǎn)具有高等向性的1.2344EFS鋼。
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