作者：馬 野， 馮淑玲， 牟 風， 燕 云， 康愛軍（撫順特殊鋼股份有限公司技術中心 ）

【摘要】介紹了鋁擠壓技術的發展和基本工作原理， 撫順特鋼通過電爐＋電渣重熔、 精快鍛聯合成材生產出高質量的鋁擠壓熱作模具用優質H13鋼， 研究了鋁擠壓熱作模具用優質H13鋼的高溫力學性能。結果表明， 優質H13鋼經熱處理后硬度可以達到44～46HRC， 在室溫下抗拉強度達到1,601N/mm 2 。隨環境溫度的升高， 優質H13鋼的抗拉強度隨之降低，在環境溫度升高至700℃時， 優質H13鋼的抗拉強度降低至315N/mm 2 。通過斷口SEM分析， 優質H13鋼拉伸試樣斷口為韌性斷裂， 從微觀形貌屬于微孔聚集型斷裂， 說明優質H13鋼基體塑性變形能力較強。

關鍵詞：鋁擠壓；高溫性能；顯微組織；掃描電鏡

1 引言

鋁是地殼中分布最廣， 儲量最多的元素之一， 占地殼總重量的8.2%。在人類應用的金屬材料中， 鋁材的消費量僅次于鋼材， 居第二位， 因此， 鋁工業成為現代社會的重要支柱工業之一。鋁材主要包括板、 帶、箔、 管、 棒、 型、 線、 鍛件及粉等， 廣泛應用于現代軌道交通、 汽車、 電子、 建筑等行業。中國鋁工業、 鋁加工工業發展迅速， 2018年中國企業鋁產量約5,700萬噸，占世界產量的59%， 穩居世界第一位。

2 鋁擠壓簡介

鋁擠壓是鋁材主要的加工成形方法， 中國是鋁擠壓材生產和消費大國， 鋁擠壓材的生產和消費總量居世界榜首。

鋁擠壓技術是根據塑性變形原理， 利用裝在壓力機上的模具， 通過凸模和凹模對鋁材錠坯施加壓力，使錠坯料在一定的速度下產生塑性變形而制得所需形狀、 尺寸及一定力學性能的零件。按錠坯的加熱溫度， 擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓是將錠坯加熱到再結晶溫度以上進行擠壓， 冷擠壓是在室溫下進行擠壓。鋁擠壓技術及設備包括：熔鑄、 擠壓及擠壓模具、 表面處理、 深加工以及各個相關輔助裝備。擠壓材生產中擠壓是核心， 擠壓機是其主要設備， 模具為主要工具 [1] 。

擠壓鋁合金型材時， 鋁擠壓模具的性能和質量決定了鋁型材的品質、 成本、 生產效率和交貨期， 因此鋁擠壓模具的材料選擇、 設計、 加工、 熱處理與正確使用就成為鋁擠壓產業的核心問題。鋁型材的擠壓過程是一種高溫、 高負荷的加工作業過程， 鋁擠壓模具需要承受極其嚴酷的使用條件：①鋁擠壓模具承受高溫作用， 表層溫度可達540℃；②鋁擠壓模表層被反復加熱和冷卻， 產生熱疲勞；③擠壓鋁合金， 最大擠制壓力可達800MPa以上， 模具須承受很高的壓縮、 彎曲及剪切應力作用。

因此適用于鋁擠壓模具的材料應至少具備3項基本性能: ①高溫下具備高的屈服強度和硬度， 從而具有良好的抵抗塑性變形的能力；②優異的斷裂韌性，對裂紋的形成和擴展具有良好的抵抗能力；③高回火抗力， 不會因長時間處于高溫環境下而明顯軟化。綜合上述要求， 國內外普通使用中合金鉻系熱作模具鋼H13制造鋁型材擠壓模具， 使用效果令人滿意。鋁擠壓模具是在高溫高壓環境下作業， 并要承受周期載荷的作用， 因此對模具鋼的性能要求相當高，一般制造鋁擠壓模具的材料應具有較高的熱穩定性、熱疲勞性、 熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內常采用3Cr2W8V鋼制造鋁擠壓模具， 但它的韌性低， 抗疲勞強度不好， 即使采用高溫淬火等工藝處理措施亦不能滿足要求， 模具使用中的早期失效十分嚴重， 近年來已被H13鋼取代 [2] 。與3Cr2W8V鋼相比，H13鋼具有以下兩個突出特點:①有良好的高溫綜合性能和較高的熱疲勞抗力；②組織中含有較多的Cr、 Mo元素，氮化處理時能生成豐富穩定的氮化物并彌散分布。因此就延長鋁擠壓模具使用壽命而言， 選用H13鋼加工鋁擠壓模具還是比較合適的。統計數字表明， 用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同種鋁擠壓模具， 前者的使用壽命是后者的3～5倍。

3 高溫力學性能

3.1 試驗材料與試件

撫順特鋼在熱作模具鋼H13的基礎上， 適當調整C、 Cr、 Mo、 V等合金元素的含量， 通過優化冶煉和加工工藝生產出專用鋁擠壓模具用鋼優質H13 （見表1） 。

采用電爐＋電渣重熔冶煉方法控制非金屬夾雜物及減少成分偏析， 采用 2,000MN 快鍛機開坯＋1,000MN精鍛機成材的成型工藝， 生產規格 ? 200mm成品圓鋼。鋼材退火后硬度≤229HB， 其化學成分、非金屬夾雜物和超聲波探傷滿足相關標準要求。表2為優質 H13 鋼的非金屬夾雜物級別 （評級按 ASTME45標準檢驗） 。

從表2可以看出， 通過電爐＋LF＋VD＋電渣冶煉工藝生產的優質H13鋼中各類夾雜物粗系均為0級，氧化物、 硫化物夾雜細系為1.0級， 純凈度滿足要求。優質H13鋼的力學性能試樣取自圓鋼橫向截面中心處。試樣尺寸為 ? 5mm長度70mm （機加工的圓形橫截面直徑尺寸公差為±0.05mm） ， 試樣具體尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣

3.2 試驗過程

按GB/T228規定檢測室溫拉伸性能， 按GB/T4338規定檢測高溫拉伸性能。采用TH300型洛氏硬度計、INSTRON4483型電子拉伸試驗機及DDL150型高溫拉伸試驗機檢測試樣硬度及力學性能， 采用金相顯微鏡和EOX 18型掃描電子顯微鏡 （SEM） 進行組織及斷口形貌觀察和分析。

優質H13鋼試樣經熱處理后， 硬度值達到44～46HRC。環境溫度由箱式加熱爐加熱到規定的溫度，然后保溫 30min。試驗溫度依次為室溫（25℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 其中溫度偏差在±3℃。

3.3 試驗結果

表3給出了7個試樣的室溫拉伸和高溫拉伸試驗結果， 根據試驗結果得出優質H13鋼屈服強度及抗拉強度隨溫度的變化規律， 如圖2所示。

圖2 優質H13鋼高溫拉伸性能

從表3中的數據可以看出， 在室溫下優質H13鋼抗 拉 強 度 達 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 鋼 的1,400N/mm 2 具有更高的抗拉強度。隨環境溫度的升高， 優質H13鋼的抗拉強度隨之降低， 環境溫度達到600℃以上時， 強度降低劇烈， 當環境溫度升高至700℃時， 優質H13鋼抗拉強度降低至315N/mm 2 。鋁型材的擠壓過程鋁擠壓模具承受高溫作用， 表層溫度可達540℃， 最大擠制壓力可達800N/mm 2 以上， 模具須承受很高的壓縮、 彎曲及剪切應力作用。

鋁擠壓優質H13鋼一般在540℃以下服役， 本實驗優質 H13 鋼環境溫度在 550℃時， 抗拉強度達到1,200N/mm 2 ， 有較高的強韌性和抗熱疲勞性能， 可以滿足鋁型材的擠壓過程鋁擠壓模具需要承受的高溫和高壓作用， 但在600℃以上情況下服役時， 其熱強性急劇下降 [3] 。優質 H13 鋼在 600℃條件下仍然具有945N/mm 2 的抗拉強度， 優質H13鋼的高溫力學性能保證了鋁擠壓模具在高溫和高壓環境下具有很高的強度， 即使在600℃高溫環境下仍然具有一定的強度， 保證了鋁擠壓模具在擠壓過程中的連續工作能力及穩定性。

4 顯微組織

將優質H13鋼高溫拉伸試樣進行拋光， 經4%硝酸酒精腐蝕1~2分鐘， 使用金相顯微鏡在500倍下觀察其顯微組織， 如圖3所示。

圖3 優質H13鋼顯微組織 （500倍）

a — —1#室溫拉伸試樣 b — —2#400℃拉伸試樣