高韌性、高耐磨熱作模具鋼

 
樓主  收藏   舉報   帖子創建時間:  2011-01-08 16:11 回復：0 關注量：313
 
新型高性能熱作模具鋼（HODMAX)
在壓鑄模上的應用
Application of New Type (HODMAX Steel) on Die Casting Die
   本文研究了加拿大SOREL FORGE鋼廠的新型高性能、高耐磨熱作模具鋼（HODMAX）的實驗室檢測結果和現場應用結果。HODMAX的實驗室檢測結果表明，鋼中非金屬夾雜物含量遠遠低于NADCA #207－2003的要求，其退火顯微組織為AS1級，淬火顯微組織為AH2級，晶粒度為10.5級，其沖擊韌性也遠遠高于NADCA#207-2003對高級壓鑄模具鋼沖擊韌性的要求，其抗熱疲勞性能要優于國際先進的瑞典產ASSAB8407。HODMAX鋼模具現場使用情況表明，HODMAX壓鑄模具的壽命高于ASSAB 8407和DIEVAR制作的鋁合金壓鑄模具；在相同的工藝條件下，由HODMAX制作的放氣閥本體銅合金壓鑄模平均壽命是H21（3Cr2W8V）模具4倍以上。
 
關鍵詞： HODMAX，壓鑄模具

1 引言

鋁合金壓鑄模具經常與600℃左右的高速熔化的熾熱金屬液接觸，并被反復的加熱、冷卻，工作環境極其惡劣，其失效形式主要有：熱疲勞、沖蝕和整體斷裂[1~3]。世界各國都一直致力于壓鑄模具材料的開發與應用，以期提高壓鑄模具的使用壽命。20世紀30年代初在工業中一直廣泛應用L6、5CrMnMo，這兩種鋼由于鉻含量低，淬透性差，熱強度及熱穩定性稍差，不適合做壓鑄模具。始于70年代的H系列鋼（AISI標準）是目前世界上用量最大的第二代熱作模具鋼，以鉻含量為5％的H11、H12和H13為代表，這類模具鋼具有良好的淬透性及熱強性，是目前使用最廣泛的壓鑄模具用鋼。第三代熱作模具鋼是以瑞典研制的鉻含量為3wt％的QRO 45、QRO80和QRO90為代表。與H13相比，QRO80M和ORO90Supreme含有較低的Cr，同時增大了鋼中的Mo含量，推遲了高溫穩定性較好的MC型碳化物向穩定性較差的M23C6型碳化物轉變，使該鋼種具有更為持久的高溫強度以及抗熱疲勞性能[4]。但是，由于QRO系列模具鋼的貝氏體形成傾向性，在淬火時容易出現粗大的上貝氏體，影響模具鋼的塑韌性，降低模具壽命，甚至出現早期開裂，其推廣受到限制。

本新型高性能壓鑄模具鋼HODMAX，最主要的特點是將Cr含量提高到10％左右，大大提高了抗氧化性和淬透性；加入了適量的氮，利用氮的固溶強化及碳、氮化物的析出強化作用來提高材料的熱強性和耐磨性；同時還優化了冶煉、鍛造和預處理工藝，大大提高了模具鋼的純凈度、均勻性和等向性。

2 實驗方法

采用瑞士ARL4460光譜分析儀進行化學成分分析，室溫拉伸和高溫拉伸試驗分別按照GB/T228-2002和GB/T4338-1995進行。熱疲勞實驗在自制的熱疲勞實驗機上進行，將熱處理后的試樣加工成6×15×40mm的熱疲勞試樣，在試樣的一端用0.2mm的Mo絲用線切割預制一條長6mm的裂紋。試樣表面加熱到650攝氏度后，在室溫水中冷卻2秒，不斷的循環加熱與冷卻，采用體式顯微鏡和掃描電鏡（AMRA-1000B）觀察熱疲勞裂紋。

3 試驗結果

3.1 HODMAX性能檢測結果

3.1.1HODMAX非金屬夾雜物檢驗
HODMAX的非金屬夾雜物按ASTM E45－97標準檢驗，圖像分析儀標定，其非金屬夾雜物等級滿足NADCA #207-2003的要求（如表2所示）。
表2 HODMAX的非金屬夾雜物等級
 Table 2 Degree of Inclusion in HODMAX Steel
A(硫化物)
B(氧化鋁)
C(硅酸鹽氧化物)
D(球狀氧化物)
細
粗
細
粗
細
粗
細
粗
0.5
0.5
1.0
0.5
1.0
1.0
1.0
1.0
 
3.1.2HODMAX組織及晶粒度檢驗
HODMAX鋼退火組織沒有明顯的帶狀組織，根據NADCA #207-2003標準，其退火顯微組織為AS1級，淬火顯微組織為AH2級，晶粒度為10.5級
      
(a) 退火顯微組織 ×500   (b) 淬火顯微組織 ×500     (c) 晶粒度組織 ×500
圖1HODMAX組織及晶粒度
Fig. 2 Microstructure and Grain Size of HODMAX Steel
 
3.1.3 HODMAX力學性能檢驗
表3 HODMAX的力學性能
Table 3 Mechanical properties of HODMAX steel
試驗溫度
℃
硬度
(HRC)
抗拉強度
ss (MPa)
屈服強度
sb (MPa)
延伸率
d (%)
斷面收縮率
j (%)
沖擊韌性
ak (J/cm2)
26.7
HRC48.0
1800
1300
8.0
19.5
263.5
200
-
1660
1370
5.3
18.8
 
300
HV724.2
-
-
-
-
331.0
400
-
1540
1320
5.5
22.0
 
450
HV619.0
-
-
-
-
 
600
HV498.2
1030
920
6.0
31.0
339.0
700
-
302
270
22.5
85.5
 
750
HV296.0
-
-
-
-
 
 
表3是HODMAX經高溫淬火＋回火處理后的高溫力學性能。由表可以看出，HODMAX具有較高的高溫強度和較好的高溫穩定性。從硬度試驗數據可以看出,當溫度低于450℃時，HODMAX保持較高的硬度；當溫度升高到600攝氏度時，硬度下降到498.2HV；當溫度達到750攝氏度時，硬度急劇下降，但仍保持在296HV，具有很高的高溫強度。隨著溫度的升高，HODMAX沖擊韌性呈上升趨勢。在26.7℃、300℃和600℃的平均沖擊韌性分別為263.5 J/cm2、331 J/cm2和339 J/cm2，當HODMAX鋼在室溫硬度為HRC40.2時，其室溫的沖擊韌性為407 J/cm2。這個數據高于GB1299-2000和NADCA#207-2003對沖擊韌性的要求。這也說明HODMAX沖擊韌性已經達到國際頂級模具材料水平。
 
3.1.4 HODMAX熱疲勞性能檢驗：
 
 
 
 
 
 
 
 
圖2熱循環2000次后熱疲勞裂紋形貌 (a) 8407  (b) HODMAX
Fig. 2 Thermal fatigue cracks morphology after 2000 cycles (a) 8407 steel (b) HODMAX steel
表4. 熱疲勞性能對比
Table 4 Comparison of thermal fatigue property
試樣
2000次熱循環
主裂紋長度 (mm)
主裂紋寬度 (mm)
HODMAX
1.61
0.10
H13ESR (8407)
2.17
0.28
 
圖2為熱循環2000次后熱疲勞裂紋形貌，可以看出HODMAX的抗熱疲勞性能要優于8407。由表4可知，在相同的600攝氏度«20攝氏度熱疲勞實驗條件和熱循環次數下，8407鋼的熱疲勞主裂紋長度和主裂紋寬度分別是HODMAX的1.51倍和2.87倍。

3.2 HODMAX現場應用結果

表5. HODMAX現場應用
Table 5 Application results of HODMAX steel dies
模具種類
模具材料
使用壽命（件）
使用情況
轉向柱管下支架壓鑄模
ASSAB8407
已經使用7.8萬模次
表面皺褶，焊補過2次，
HODMAX
表面局部有龜裂，無焊補
CDMA接收機蓋板壓鑄模
DIEVAR
42000
點蝕，外觀不符合要求
HODMAX
71000
點蝕，外觀不符合要求
放氣閥本體銅合金壓鑄模
H21
3800
粘模，尺寸超差
HODMAX
22000
粘模，尺寸超差
 
表5為HODMAX模具現場使用情況，在用于鋁合金壓鑄模時，使用到78000次時，采用進口ASSAB 8407制作的右側動模和定模表面褶皺嚴重，已經焊補過二次，而由HODMAX制作的左側動模和定模表面皺褶輕微，模具表面只有局部龜裂，其壽命高于ASSAB 8407制作的模具。CDMA接收機蓋板壓鑄模具，HODMAX壓鑄模具的壽命高于DIEVAR。在相同的工藝條件下，由HODMAX制作的放氣閥本體銅合金壓鑄模平均壽命是H21（3Cr2W8V）模具4倍以上。
 

4 分析與討論

歐洲模具鋼廠往往采用電爐（或電弧爐）熔煉+爐外精煉+真空脫氣+電渣重熔而成，HODMAX采用電爐熔煉+爐外精煉+電渣重熔+二次電渣重熔而成，雖然沒有經過真空脫氣處理，但是增加了一次電渣重熔，大大降低了硫含量，組織更加致密和清潔，同時經過1240℃長時間均勻化處理，等向鍛造和晶粒超細化處理。因此，HODMAX中非金屬夾雜物含量遠遠低于NADCA #207的要求，退火態顯微組織和淬火態顯微組織均較為理想，晶粒度也大于NADCA #207 7級
 
的要求。HODMAX的沖擊韌性也遠遠高于GB1299-2000和NADCA#207-2003對沖擊韌性的要求，其抗熱疲勞性能要優于國際先進的瑞典產ASSAB8407，這說明HODMAX性能已經達到國際頂級模具材料水平。
HODMAX具有良好的高溫強度和耐磨性，與其成份和組織特點是分不開的。HODMAX試樣經高溫淬火和回火處理后顯微組織為回火馬氏體，并有大量幾十納米細小析出相彌散分布在基體上，經分析為主要為M23C6、Mo2C、V(C,N) [5]。這些析出相具有較高的熱穩定性，有利于提高材料的高溫強度。點狀VC相、顆粒狀M23C6相和短棒狀Mo2C相的衍射譜，晶帶軸分別為[011]、[255]和[111]，三種析出相彌散分布在基體上，顆粒細小，如V(C,N)直徑約10~30nm，M23C6直徑約50~100nm，Mo2C直徑小于10nm，長度小于100nm，對模具鋼有很好的強化作用[6~8]。
 

5 結論

1)        實驗室檢測結果表明，HODMAX中非金屬夾雜物含量遠遠低于NADCA #207－2003的要求，其退火顯微組織為AS1級，淬火顯微組織為AH2級，晶粒度為10.5級。其沖擊韌性也遠遠高于NADCA#207-2003對高級壓鑄模具鋼沖擊韌性的要求，其抗熱疲勞性能要優于國際先進的瑞典產ASSAB8407。
2)        HODMAX模具現場使用情況表明，HODMAX壓鑄模具的壽命高于ASSAB 8407和DIEVAR制作的鋁合金壓鑄模具；在相同的工藝條件下，由HODMAX制作的放氣閥本體銅合金壓鑄模平均壽命是H21鋼模具4倍以上。
相關應用
國內應用單位
熱作模具
模具材料
壽命
加拿大Winstech公司（魁北克省）
鋁合金轉向柱管下支架壓鑄襯模
8407（進口）、
HODMAX
HODMAX鋼約為8407（進口H13）鋼的2.3倍。
美國（北美. 馬薩諸塞州）B.F公司
銅合金放氣閥本體壓鑄模具
H21、
HODMAX
HODMAX鋼約為H21鋼的3.9倍。
 
SOREL FORGE鋼廠華南代表處：
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