新型高能热作模具钢(HHD钢)在压铸模上的应用.doc

新型高性能热作模具钢(HHD钢)在压铸模上的应用Application of New Type igh-property Hot Working Die Steel (HHD Steel) on Die Casting Die方建儒1，卢国栋2 1一汽铸造有限公司铸造模具厂，长春市东风大街153号（130011）2长春一汽联合压铸有限公司，长春市东风大街153号（130011）摘要 本文研究了新型高性能热作模具钢（High-property Hot working Die steel-HHD钢）的实验室检测结果和现场应用结果。HHD钢的实验室检测结果表明，钢中非金属夹杂物含量远远低于NADCA #2072003的要求，其退火显微组织为AS1级，淬火显微组织为AH2级，晶粒度为9.5级，其冲击韧性也远远高于NADCA#207-2003对高级压铸模具钢冲击韧性的要求，其抗热疲劳性能要优于国际先进的瑞典产ASSAB8407钢。HHD钢模具现场使用情况表明，HHD钢压铸模具的寿命高于ASSAB 8407和DIEVAR制作的铝合金压铸模具；在相同的工艺条件下，由HHD钢制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是3Cr2W8V钢模具4倍以上。关键词： HHD钢，压铸模具1 引言铝合金压铸模具经常与600左右的高速熔化的炽热金属液接触，并被反复的加热、冷却，工作环境极其恶劣，其失效形式主要有：热疲劳、冲蚀和整体断裂13。世界各国都一直致力于压铸模具材料的开发与应用，以期提高压铸模具的使用寿命。20世纪30年代初在工业中一直广泛应用5CrNiMo、5CrMnMo钢，这两种钢由于铬含量低，淬透性差，热强度及热稳定性稍差，不适合做压铸模具。始于70年代的H系列钢（AISI标准）是目前世界上用量最大的第二代热作模具钢，以铬含量为5的H11、H12和H13为代表，这类模具钢具有良好的淬透性及热强性，是目前使用最广泛的压铸模具用钢。第三代热作模具钢是以瑞典研制的铬含量为3wt的QRO 45、QRO80和QRO90为代表。与H13钢相比，QRO80M和ORO90Supreme钢含有较低的Cr，同时增大了钢中的Mo含量，推迟了高温稳定性较好的MC型碳化物向稳定性较差的M23C6型碳化物转变，使该钢种具有更为持久的高温强度以及抗热疲劳性能4。但是，由于QRO系列模具钢的贝氏体形成倾向性，在淬火时容易出现粗大的上贝氏体，影响模具钢的塑韧性，降低模具寿命，甚至出现早期开裂，其推广受到限制。本新型高性能压铸模具钢HHD钢，最主要的特点是将Cr含量提高到10左右，大大提高了抗氧化性和淬透性；加入了适量的氮，利用氮的固溶强化及碳、氮化物的析出强化作用来提高材料的热强性和耐磨性；同时还优化了冶炼、锻造和预处理工艺，大大提高了模具钢的纯净度、均匀性和等向性。2 实验方法试验用钢为自行研制开发的HHD钢，采用电炉熔炼+炉外精炼+电渣重熔+二次电渣重熔而成，钢锭经过1240，16小时保温均匀化处理，三镦三拔和三次晶粒超细化处理，其化学成分如表1所示。采用瑞士ARL4460光谱分析仪进行化学成分分析，室温拉伸和高温拉伸试验分别按照GB/T228-2002和GB/T4338-1995进行。热疲劳实验在自制的热疲劳实验机上进行，将热处理后的试样加工成61540mm的热疲劳试样，在试样的一端用0.2mm的Mo丝用线切割预制一条长6mm的裂纹。试样表面加热到650后，在室温水中冷却2秒，不断的循环加热与冷却，采用体式显微镜和扫描电镜（AMRA-1000B）观察热疲劳裂纹。表1 HHD钢化学成分（重量百分比）Table 1 Chemical composition of HHD steel（wt.%）CCrMoNiVWSPN、RE、Nb0.20.358.013.01.02.00.71.30.41.00.31.00.0020.012微量3 试验结果3.1 HHD钢性能检测结果3.1.1 HHD钢非金属夹杂物检验HHD钢的非金属夹杂物按ASTM E4597标准检验，图像分析仪标定，其非金属夹杂物等级满足NADCA #207-2003的要求（如表2所示）。表2 HHD钢的非金属夹杂物等级 Table 2 Degree of Inclusion in HHD SteelA(硫化物)B(氧化铝)C(硅酸盐氧化物)D(球状氧化物)细粗细粗细粗细粗0.50.51.00.51.01.01.01.03.1.2 HHD钢组织及晶粒度检验HHD钢退火组织没有明显的带状组织，根据NADCA #207-2003标准，其退火显微组织为AS1级，淬火显微组织为AH2级，晶粒度为9.5级 (a) 退火显微组织 500 (b) 淬火显微组织 500 (c) 晶粒度组织 500图1 HHD钢组织及晶粒度 Fig. 2 Microstructure and Grain Size of HHD Steel3.1.3 HHD钢力学性能检验表3HHD钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of HHD steel试验温度硬度(HRC)抗拉强度ss (MPa)屈服强度sb (MPa)延伸率d (%)断面收缩率j (%)冲击韧性ak (J/cm2)26.7HRC48.0180013008.019.5263.5200-166013705.318.8300HV724.2-331.0400-154013205.522.0450HV619.0-600HV498.210309206.031.0339585.5750HV296.0-表3是HHD钢经高温淬火回火处理后的高温力学性能。由表可以看出，HHD钢具有较高的高温强度和较好的高温稳定性。从硬度试验数据可以看出,当温度低于450时，HHD钢保持较高的硬度；当温度升高到600时，硬度下降到498.2HV；当温度达到750时，硬度急剧下降，但仍保持在296HV，具有很高的高温强度。随着温度的升高，HHD钢冲击韧性呈上升趋势。在26.7、300和600的平均冲击韧性分别为263.5 J/cm2、331 J/cm2和339 J/cm2，当HHD钢在室温硬度为HRC40.2时，其室温的冲击韧性为407 J/cm2。这个数据高于GB1299-2000和NADCA#207-2003对冲击韧性的要求。这也说明HHD钢冲击韧性已经达到国际先进模具材料水平。 3.1.4 HHD钢热疲劳性能检验：图2热循环2000次后热疲劳裂纹形貌 (a) 8407钢 (b) HHD钢Fig. 2 Thermal fatigue cracks morphology after 2000 cycles (a) 8407 steel (b) HHD steel表4. 热疲劳性能对比Table 4 Comparison of thermal fatigue property试样2000次热循环主裂纹长度 (mm)主裂纹宽度 (mm)HHD1.610.104Cr5MoSiV1(8407)2.170.28图2为热循环2000次后热疲劳裂纹形貌，可以看出HHD钢的抗热疲劳性能要优于8407钢。由表4可知，在相同的65020热疲劳实验条件和热循环次数下，8407钢的热疲劳主裂纹长度和主裂纹宽度分别是HHD钢1.51倍和2.87倍。3.2 HHD钢现场应用结果表5. HHD钢现场应用Table 5 Application results of HHD steel dies模具种类模具材料使用寿命（件）使用情况转向柱管下支架压铸模ASSAB8407已经使用7.8万模次表面皱褶，焊补过2次， HHD表面局部有龟裂，无焊补 CDMA接收机盖板压铸模DIEVAR42000点蚀，外观不符合要求HHD71000点蚀，外观不符合要求放气阀本体铜合金压铸模3Cr2W8V3800粘模，尺寸超差HHD22000粘模，尺寸超差表5为HHD钢模具现场使用情况，在用于铝合金压铸模时，使用到78000次时，采用进口ASSAB 8407制作的右侧动模和定模表面褶皱严重，已经焊补过二次，而由HHD制作的左侧动模和定模表面皱褶轻微，模具表面只有局部龟裂，其寿命高于ASSAB 8407制作的模具。CDMA接收机盖板压铸模具，HHD钢压铸模具的寿命高于DIEVAR。在相同的工艺条件下，由HHD钢制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是3Cr2W8V钢模具4倍以上。4 分析与讨论进口模具钢往往采用电炉（或电弧炉）熔炼+炉外精炼+真空脱气+电渣重熔而成，本试验用钢采用电炉熔炼+炉外精炼+电渣重熔+二次电渣重熔而成，虽然没有经过真空脱气处理，但是增加了一次电渣重熔，大大降低了硫含量，组织更加致密和清洁，同时经过1240长时间均匀化处理，等向锻造和晶粒超细化处理。因此，HHD钢中非金属夹杂物含量远远低于NADCA #207的要求，退火态显微组织和淬火态显微组织均较为理想，晶粒度也大于NADCA #207 7级的要求。HHD钢的冲击韧性也远远高于GB1299-2000和NADCA#207-2003对冲击韧性的要求，其抗热疲劳性能要优于国际先进的瑞典产ASSAB8407钢，这说明HHD钢部分性能已经达到国际先进模具材料水平。HHD钢具有良好的高温强度和耐磨性，与其成份和组织特点是分不开的。HHD钢试样经高温淬火和回火处理后显微组织为回火马氏体，并有大量几十纳米细小析出相弥散分布在基体上，经分析为主要为M23C6、Mo2C、V(C,N) 5。这些析出相具有较高的热稳定性，有利于提高材料的高温强度。点状VC相、颗粒状M23C6相和短棒状Mo2C相的衍射谱，晶带轴分别为011、255和111，三种析出相弥散分布在基体上，颗粒细小，如V(C,N)直径约1030nm，M23C6直径约50100nm，Mo2C直径小于10nm，长度小于100nm，对模具钢有很好的强化作用68。5 结论1) 实验室检测结果表明，HHD钢中非金属夹杂物含量远远低于NADCA #2072003的要求，其退火显微组织为AS1级，淬火显微组织为AH2级，晶粒度为9.5级。其冲击韧性也远远高于NADCA#207-2003对高级压铸模具钢冲击韧性的要求，其抗热疲劳性能要优于国际先进的瑞典产ASSAB8407钢。2) HHD钢模具现场使用情况表明，HHD钢压铸模具的寿命高于ASSAB 8407和DIEVAR制作的铝合金压铸模具；在相同的工艺条件下，由HHD钢制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是3Cr2W8V钢模具4倍以上。6 参考文献1 Las-Ake Norstrom Scand, Performance of Hot Work Tool Steels, Metallurgy, 1981, 9:45-47.2 沈俊峰，沈利群，提高模具材料疲劳抗力的途径，上海金属，1998，2 (10):35-37.3 C.S.Xie, J.S.Zhao, An Approach to Developing a Hot-work Die Steel for High Temperature Application, Mater Sci. Aug. 1990, 124 A:1-9.4QROTM 90 superme, Alloy Digest, 1992(2),5095 方健儒 新型高寿命压铸模具钢的开发与应用，一汽集团博士后论文，2005.26 J. R. Fang，Q. C. Jiang，Q. F. Guan, The Characteristics of Fatigue and Fracture under Isothermal and Thermomechanical load in Cr-Ni-Mo Cast Hot Work Die Steel, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structure ，2002，25（5）：481-4897 Q. C. Jiang，J. R. Fang，Q. F. Guan, Thermomechanical Fatigue Beh