引言

H13模具鋼作為熱作模具的核心材料，其服役壽命受制于熱疲勞裂紋擴(kuò)展與高溫氧化腐蝕兩大瓶頸。近年來，多向鍛造(Multi-directionalForging,MDF)工藝通過調(diào)控微觀組織與碳化物分布，顯著提升了H13鋼的綜合性能。

一、熱疲勞性能的優(yōu)化：從裂紋萌生到擴(kuò)展抑制

1. 鍛造比與組織均勻性

實(shí)驗(yàn)表明，鍛造比（Forging Ratio）是影響熱疲勞性能的核心參數(shù)。當(dāng)鍛造比從3增至5時(shí)，H13鋼的熱疲勞裂紋級(jí)別降低2級(jí)（如從6級(jí)降至4級(jí)），高溫磨損體積減少6×10?3 mm3。其機(jī)理在于：

晶粒細(xì)化：鍛造比提升促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸由原始50 μm細(xì)化至15 μm以下，晶界密度增加，阻礙位錯(cuò)滑移與裂紋萌生。

應(yīng)力均質(zhì)化：多向鍛造（如“三鐓三拔”工藝）通過多軸應(yīng)變消除帶狀偏析，使碳化物（如M?C?、M??C?）分布均勻，減少局部應(yīng)力集中。

2. 工藝參數(shù)的協(xié)同作用

溫度窗口控制：始鍛溫度1120~1125℃與終鍛溫度900~920℃的組合，可平衡動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與晶粒粗化風(fēng)險(xiǎn)，使熱疲勞級(jí)別降低4~6級(jí)。

動(dòng)態(tài)損傷抑制：數(shù)值模擬顯示，1050~1100℃變形溫度下，多向鍛造通過優(yōu)化金屬流動(dòng)路徑，將局部應(yīng)變集中系數(shù)從2.8降至1.5，顯著降低微裂紋形核概率。

二、高溫抗氧化性能的提升：從氧化動(dòng)力學(xué)到微觀屏障

1. 鍛造比對(duì)氧化速率的抑制

當(dāng)鍛造比從3增至6時(shí)，H13鋼在500℃氧化10 h后的單位面積質(zhì)量增重減少48.33%（從121 mg·mm?2降至63 mg·mm?2）。其本質(zhì)在于：

致密化晶界：鍛造比增加使晶界體積分?jǐn)?shù)提高30%，晶界曲折度增加，氧擴(kuò)散路徑受阻（擴(kuò)散系數(shù)降低至原始值的40%）。

碳化物屏障效應(yīng)：均勻分布的納米級(jí)MC型碳化物（如VC、NbC）在氧化層界面形成“釘扎結(jié)構(gòu)”，抑制氧化膜剝落。

2. 高溫穩(wěn)定性強(qiáng)化工藝

擴(kuò)散退火協(xié)同：1250℃×12 h高溫?cái)U(kuò)散退火結(jié)合多向鍛造，可將枝晶偏析指數(shù)從1.8降至0.3，碳化物尺寸標(biāo)準(zhǔn)差由1.2 μm縮小至0.4 μm。

氧化層重構(gòu)：SEM分析表明，鍛造后試樣表面氧化皮由片狀（厚度>5 μm）轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀（尺寸<1 μm），氧化膜粘附性提升，剝落傾向降低60%。

結(jié)論

多向鍛造通過晶粒細(xì)化、碳化物均質(zhì)化與動(dòng)態(tài)損傷控制，使H13鋼的熱疲勞級(jí)別降低5級(jí)，高溫氧化增重減少近50%。工藝優(yōu)化需聚焦鍛造比、溫度窗口與協(xié)同熱處理，以實(shí)現(xiàn)性能-成本的平衡。未來，結(jié)合人工智能工藝仿真與高通量實(shí)驗(yàn)，有望進(jìn)一步突破現(xiàn)有性能極限。