与之相适应。模具工业已成为衡量一个国家工业水 偏析较为严重，等向性能较差，使用寿命不高等问
平高低的重要标志之一。模具钢是模具工业的重要 题。即使是经电渣重溶的础，我国近年来模具工业的迅速发展 ＡＳＳＡＢ８４０７钢相比也存在不少差距，普通Ｈ１３钢（电
促进了模具钢在品种、质量方面有了较大的发展和 炉单炼及普通热加工）更不言而喻。
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３．５ 热疲劳性能 热作模具在使用过程中要与高温金属接触，模
具型腔表面在短时间内会达到７ ０ ０ ℃，之后迅速冷 却，这种急热急冷过程会在模具表面产生应力。模 具在循环应力作用下服役，其表面易产生疲劳裂 纹 ，影 响 模 具 使 用 寿 命 。
热疲劳性能与钢的纯净度及组织、碳化物形态 和分布等因素有关。若把共晶碳化物、夹杂物看作 球形第二相，则在碳化物及夹杂物周围基体可产生 的切向拉应力为
高温均质化处理能够有效地改善碳化物的偏析 程 度 。合 金 元 素 的 扩 散 需 要 一 定 的 浓 度 梯 度 。Ｈ １ ３
钢铸态组织中共晶碳化物沿晶界呈网状分布，扩散 界面比较大，晶界与晶内碳及合金元素存在较大的 浓度梯度，所以富集在晶界的多余碳、合金元素扩 散进入铁素体晶内，从而不断溶解共晶碳化物，达 到成分均匀。
１ 引言
的年产值９０年代就已达到１６０亿美元，而我国的模具
随着全球经济一体化的深入发展，模具工业在 产值仅相当于日本的１ ／ ５ ，大型、复杂、精密模具还
国民经济中发挥的作用越来越大，机械、电子、汽 主要依赖进口。就目前国内广泛应用的热作模具钢
车、轻工和国防工业的发展均要求模具工业的发展 Ｈ１３而言，与进口材料相比仍存在共晶碳化物、带状
been considerably improved on.
Key Words: SWPH13 Steel; surperfining; thermal fatigue property; impact toughness; isotropic performance; carbide
homogeneity
经过在１ ２ ０ ０ ℃以上的高温长时间保温，Ｈ １ ３ 钢 成分偏析得到改善，共晶碳化物数量减少、颗粒变 小，成分更加均匀。通过对Ｈ１３钢高温均匀化前后元 素微区成分分析，Ｃ ｒ 、Ｍ ｏ 、Ｖ 合金元素的成分上下 波动幅度较小，如图５ 所示。 ３．４ 组织均匀性
众所周知，钢中的组织及碳化物越均匀细小， 钢的冲击韧度就越高，从而提高模具的使用寿命。 Ｓ Ｗ Ｐ Ｈ １ ３ 钢采用了独特的“超细化处理工艺”，获得 了细小均匀的组织，使冲击韧度大幅度提高。
στ＝（αｉ－αｍ）∆ＴＥｉＥｍ／［Ｅｉ（１＋Ｖｍ）＋２Ｅｍ（１－Vｉ）］［３］ （１） 式中α ｉ ，α ｍ 分别为第二相质点及基体的热膨胀系 数；Ｅ ｉ ，Ｅ ｍ 分别为第二相质点及基体的弹性模量； Ｖ ｉ ，Ｖ ｍ 分别为第二相质点及基体的泊松比；△Ｔ 为 热循环温度。用上式计算的Ｈ１３钢在２０℃和７００℃之 间循环加热冷却时第二相颗粒周围的拉应力达到 ６２８ＭＰａ，而Ｈ １ ３钢在７ ０ ０℃时的高温屈服强度只有 ４ ３ ０ Ｍ Ｐ ａ ，此时基体早已屈服变形，松驰应力，而第
￣ 试验研究 ￣
高品质热作模具钢 ＳＷＰＨ１３ 的性能研究
刘笑莲
（宝钢股份特殊钢分公司，上海 ２００９４０）
摘 要： 采用炉外精练、气体保护电渣重溶技术以及高温均质化处理、多向锻造、超细化处理技术研制的热 作模具钢ＳＷＰＨ１３ 的质量水平可与国际领先水平的瑞典ＡＳＳＡＢ８４０７相媲美，标志着国产Ｈ１３热作模 具钢的质量水平跃上了一个新的台阶。
稳定等因素，国产模具钢还不能完全满足模具工业 并且在局部地方连成链状碳化物。共晶碳化物和二
快速发展的需求，大型、复杂、精密、长寿命模具 次碳化物在晶界聚集强烈影响模块的冲击韧度。
每年还需从瑞典、日本等工业发达国家大量进口。 ＡＳＳＡＢ８４０７钢模块二次碳化物分布均匀，无网链状
改变我国在高档模具钢方面大量依赖进口的局 碳化物存在，见图１ 。
面是当务之急。宝钢集团五钢公司与上海大学合作 ２．２ 等向性能
研制成功了可与代表当今国际领先水平的瑞典
国产优质Ｈ１３钢与ＡＳＳＡＢ８４０７钢模块淬回火态
ＡＳＳＡＢ８４０７钢相媲美的精品ＳＷＰＨ１３ 热作模具钢， 无缺口试样的冲击功见图２。国产优质Ｈ１３钢模块冲
提升了我国热作模具钢的质量档次。
击功横纵比不到０．５，等向性能较差；而ＡＳＳＡＢ８４０７
提高，形成了冷作、热作、塑料等系列模具钢，典 ２．１ 交货状态的组织
型钢种有Ｃ ｒ １ ２ Ｍ ｏ Ｖ 、４ Ｃ ｒ ５ Ｍ ｏ Ｓ ｉ Ｖ １ 、３ Ｃ ｒ ２ Ｍ ｏ 等。但
国产优质Ｈ１３钢退火态心部组织存在粗大的共
由于存在品种规格不全、高质量产品少、性能不够 晶碳化物和成分偏析，二次碳化物聚集在晶界处，
LIU Xiao-lian
(Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd,Special Steel Branch, Shanghai 200940)
Abstract: Quality of hot working die steel SWPH13 made by the use of secondary refining, gas shielded ESR,high
在优化钢的化学成分的同时，必须注意钢中的 磷硫含量。钢中的磷和硫在凝固过程中形成的磷化 物和硫化物在晶界沉淀富集，降低晶界的结合强 度，因而使钢产生晶间脆性，降低钢的塑性、韧性 及疲劳性能，影响模具的使用寿命。日本大同特殊 钢对Ｈ１３钢的研究显示，钢中的０．０２５％Ｐ和０．００８％Ｓ 分别降低到０ ． ０ ０ ５ ％ Ｐ 和０ ． ０ ０ １ ％ Ｓ ，热疲劳裂纹产生 的数量和长度会减少一半［２］。Ｓ Ｗ Ｐ Ｈ １ ３ 钢通过采用 Ｅ Ａ Ｆ ＋ Ｌ Ｆ Ｖ ＋ Ｐ Ｅ Ｓ Ｒ （ 气体保护电渣重熔） 技术，可使
在 同 一 生 产 条 件 下 ，经 过 超 细 化 处 理 ， ＳＷＰＨ１３钢的组织及碳化物明显细化，淬回火态无缺 口试样冲击功提高到２９０Ｊ。
图 ４ Ｈ１３ 钢试样电解萃取碳化物 Ｘ 射线衍射谱 Ｆｉｇ．４ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅｓ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃａｌｌｙ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ Ｈ１３ ｓｔｅｅｌ
《热处理》 ２００６ 年第 ２１ 卷第 ２ 期
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图１ 超细化处理与未经超细化处理的Ｈ１３钢的组织对比 ×５００ （ａ） 国产优质Ｈ１３钢的组织 （ｂ）超细化锤炼的ＳＷＰＨ１３组织 （ｃ） ＡＳＳＡＢ８４０７的组织
Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｆｉｎｅｄ ａｎｄ ｕｎｓｕｐｅｒｆｉｎｅｄ Ｈ１３ ｓｔｅｅｌｓ ×５００ （ａ） Ｃｈｉｎｅｓｅ－ｍａｄｅ ｑｕａｌｉｔｙ Ｈ１３ ｓｔｅｅｌ （ｂ） ｓｕｐｅｒｆｉｎｅｄ ＳＷＰＨ１３ ｓｔｅｅｌ （ｃ） ＡＳＳＡＢ８４０７ ｓｔｅｅｌ
２ 模具钢的差距
钢模块横向心部试样冲击功较高，冲击功横纵比达
近年来我国模具钢在生产规模、品种规格、材 ０ ． ８ ５ ，显示了良好的等向性能。
质等方面与国外先进国家相比仍有差距。日本模具 ２．３ 热疲劳性能对比
收稿日期： ２００５－１１－１５ 作者简介： 刘笑莲（１９６６－），女，工程师，从事特殊钢锻造及热处理技术研究。联系电话 ：０２１－２６０３２４６３
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图 ３ 循环 ３０００ 周次后钢的热疲劳裂纹形貌 （ａ） 国产优质 Ｈ１３钢 （ｂ） ＡＳＳＡＢ８４０７ 钢 （ｃ） ＳＷＰＨ１３钢 Ｆｉｇ．３ Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌｓ ａｆｔｅｒ ｃｙｃｌｉｎｇ ａｔ ３０００ ｔｉｍｅｓ （ａ） Ｃｈｉｎｅｓｅ－ｍａｄｅ ｑｕａｌｉｔｙ Ｈ１３ ｓｔｅｅｌ （ｂ） ＡＳＳＡＢ８４０７ ｓｔｅｅｌ （ｃ） ＳＷＰＨ１３ ｓｔｅｅｌ
ＳＷＰＨ１３钢的冶炼采用ＥＡＦ＋ＬＦＶ＋ＰＥＳＲ（气体保 护电渣重熔）技术，电炉冶炼电极采用低硫磷合金和 废钢，采用氧化法冶炼除磷，加强炉外精练的脱硫 及真空脱气；电渣重熔采用多元渣系，并在氩气气 氛下重熔。采用以上技术可以使Ｓ Ｗ Ｐ Ｈ １ ３ 钢的非金 属 夹 杂 物 细 小 、弥 散 。 ３．２ 磷硫含量
钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性，易 引起应力集中，在外界应力作用下，裂纹延伸很容 易发展扩大而导致模具失效［１］。塑性夹杂物在锻轧 过程中延展变形，致使钢材产生各向异性。随着钢 的冶炼技术的不断进步，电炉钢可以进行炉外精练 和真空脱气处理，电渣重熔可以在气体保护下进 行，这些措施都可以有效地提高钢的纯净度。
《热处理》 ２００６ 年第 ２１ 卷第 ２ 期
钢中的磷含量降低到０ ． ０ １ ０ ％以下，硫含量降低到 ０ ． ０ ０ ５ ％ 以下。 ３．３ 钢中碳化物分布的均匀性
Ｈ １ ３ 钢的含碳量并不太高，仅为０ ． ４ ％ 左右，但 合金元素总量达８ ％ ，因此属于过共析钢，由于碳及 合金元素的偏析，Ｈ １ ３ 钢中有时会出现亚稳定的共 晶碳化物。这类碳化物一旦形成大块棱角状，或堆 集成网链状，就会促使模具早期失效。
temperature homogenizing, multidirectional forging and superfining has reached the same quality level as Swedish
ASSAB8407 steel which is the lead in the world.This indicates that quality of Chiners-made hot working die steel H13 has
采用Ｕ Ｄ Ｄ Ｅ Ｈ Ｏ Ｌ Ｍ自约束热疲劳试验法，在２０ ℃ ￣７００℃之间冷热循环３０００周次，三种钢的裂纹扩展 情况见图３。由图可知，国产优质Ｈ １ ３钢热疲劳裂纹 扩展方向明显，裂纹粗大，而Ａ Ｓ Ｓ Ａ Ｂ ８ ４ ０ ７ 钢热疲劳 裂纹呈均匀网络状扩展，裂纹较细小。国产优质Ｈ１３ 钢 铝 合 金 压 铸 模 使 用 寿 命 最 高 达 ６ 万 次 ，而 Ａ Ｓ Ｓ Ａ Ｂ ８ ４ ０ ７ 钢可稳定达到２ ０ 万次以上。 ３ 提高 Ｈ１３ 钢质量及性能的关键技术 ３．１ 钢的纯净度