H13是一種典型的空冷硬化熱作模具鋼，抗熱裂能力良好，適合工作溫度低于600 ℃。其工藝性能優良，是目前國內外應用最廣泛的熱作模具鋼種之一[1-3]。通常用于制造鋁鑄件用的熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模的熱沖孔模具、熱切邊模等，還廣泛應用于銅及其合金的壓鑄模具[4-5]。H13鋼中合金元素含量高達9%，奧氏體在高溫變形過程所發生的組織結構變化復雜，通過研究H13鋼高溫變形行為，確定合理的軋制參數，保證工業化生產順利進行。
1. 實驗材料及方法
1.1 實驗材料
實驗所用材料為某廠熱作模具鋼H13，化學成分如表1所示。使用線切割對試樣進行加工，樣品尺寸為?8 mm×15 mm圓柱體。
1.2 實驗方法
在Gleeble-2000熱模擬機上進行高溫壓縮實驗，模擬鋼材軋制過程變形行為。變形速率設定為1.0 s−1，變形溫度分別設定為950、1000、1050、1100和1150 ℃。首先樣品按照5 ℃/s的加熱速率升溫至1200 ℃，保溫5 min，然后以20 ℃/s冷卻至變形溫度，保溫30 s后開始壓縮變形，變形后立即淬火冷卻。其熱處理工藝如圖1所示。
實驗測得H13鋼在不同變形溫度條件下的高溫真應力-真應變曲線如圖2所示。
從曲線可以看出，在變形初始階段，應力急劇增加，超過某一極值后，應力呈先下降而后趨于恒定值。在相同變形速率和變形程度的條件下，變形抗力隨著變形溫度的升高而降低。
變形溫度在再結晶溫度以上稱為熱加工，金屬在熱變形過程中發生動態回復、動態再結晶、應變誘發沉淀相的動態析出。變形溫度、變形速率和變形程度是影響鋼高溫變形行為的主要外因[6]。鋼在高溫變形過程中，變形抗力受加工硬化和組織軟化兩方面影響。鋼在塑性變形過程中是按位錯運動來完成的，隨著變形程度的增大，位錯密度不斷增大，導致加工硬化不斷增大。鋼的組織軟化有2種機制：（1）動態回復。動態回復的實質是部分位錯的重排和消失。當位錯密度增大到一定程度后，通過滑移等運動方式，使部分位錯重新排列或消失，發生動態回復。當變形量增大到一定程度時，應力將逐漸低于線性增長規律，這是由熱變形過程中的動態回復造成的。（2）動態再結晶。變形程度繼續增大，動態回復不足以抵消新位錯，當位錯密度增大到某一極值時，聚集的能量將驅使奧氏體發生動態再結晶，新的晶粒開始形核并長大。加工硬化存在于高溫變形整個過程，同時動態回復和動態再結晶也隨變形而不斷的發展，當加工硬化和動態回復、動態再結晶引起的軟化達到動態平衡時，變形抗力將趨于某一恒定值[7]。
結合圖2真應力-真應變曲線進一步分析，變形開始階段發生加工硬化，變形抗力陡增。隨著變形的繼續，將發生動態回復軟化，導致變形抗力增速減緩。繼續變形將發生動態再結晶軟化，變形抗力略有降低。隨著變形的繼續，在硬化和軟化機制共同作用下，應力-應變曲線接近于水平狀態。隨著變形溫度升高，金屬原子的熱振動加劇，原子擴散能力增強，滑移阻力降低，位錯通過滑移等方式運動更容易，奧氏體的形核速度、長大速度均提高，有利于動態回復和動態再結晶軟化過程的發生，造成變形抗力降低。
影響H13鋼高溫變形抗力的外因主要有軋制溫度、軋制速度、壓下量等。實驗研究表明，選擇較高的軋制溫度，可以減小變形抗力。高溫變形過程產生的奧氏體組織結構將影響后續冷卻過程的組織轉變。在工業生產中，同時考慮軋機負荷，能源消耗、初始奧氏體晶粒尺寸等因素，選擇合適的工藝參數，優化動態再結晶過程，使產品獲得優良的組織和性能。
本次熱作模具鋼H13采用電爐模鑄錠一火軋制工藝生產，具體生產工藝流程為：高爐鐵水→50 t電爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→3.16 t模鑄錠→均熱爐加熱→1150粗軋機組軋制→連軋機組軋制→保溫坑緩冷→退火→精整→檢驗→包裝入庫。鋼錠規格尺寸見表2。
采用溫裝工藝，模鑄錠脫模后裝爐，要求鋼錠溫度≥400 ℃，采用上部四角燒嘴換熱式均熱爐進行加熱，爐子供熱是由位于靠近爐坑上部四個角安裝的套筒燒嘴噴入煤氣，與熱風道上來的熱空氣混合后進行燃燒而獲得。裝爐時鋼錠大頭向上，鋼錠不準靠放在燒嘴圍墻上。鋼錠各部位要均勻透燒，定期進行翻面。加熱工藝曲線如圖3所示。
模鑄錠經過粗軋機11道次開坯后，進入連軋機組軋制，產材規格?100 mm，粗軋軋程見表3。軋制前關閉高壓水除鱗系統，調整好軋機冷卻水強度，避免軋制過程中鋼材局部冷卻過快導致裂紋產生。保證開軋溫度≥1100 ℃，終軋溫度≥900 ℃。軋后鋼材快速下線入保溫坑保溫，保溫坑里使用紅鋼墊底，要求入保溫坑溫度≥550 ℃，出保溫坑溫度≤200 ℃，保溫時間大于48 h。
（1）在變形速率和變形程度一定的條件下，變形溫度在950~1150 ℃范圍內，H13鋼變形抗力隨溫度的升高而降低。
（2）在變形速率和變形溫度一定的條件下，H13鋼變形抗力隨變形量的增大先急劇增加，而后增速減緩，最后應力-應變曲線趨于水平。
（3）通過對工業生產過程中的加熱制度、軋鋼溫度、軋制規程等工藝參數合理的設計，實現H13鋼錠一火軋制產材，節省能耗，降低生產成本。
文章來源——金屬世界
2. 實驗結果與討論
2.1 應力-應變曲線
2.2 金屬高溫變形行為機制
3. 軋制工藝研究
3.1 工藝路徑
3.2 加熱
3.3 軋制及保溫
4. 結束語