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新型高性能热作模具钢(HHD 钢) 在压铸模上的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-09-27  浏览次数:376
核心提示:新型高性能热作模具钢(HHD 钢) 在压铸模上的应用
方建儒 ,卢国栋
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 #207-2003 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。 钢模具现场使用情况表明, 钢压铸模具的寿命高于 ASSAB HHD HHD 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: 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[1~3]。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 QRO80 和 QRO90 为代表。 H13 钢相比, 与 QRO80M 的铬含量为 3wt%的 QRO 45、
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 6×15×40mm 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.%) C 0.2~0.35 Cr 8.0~13.0 Mo 1.0~2.0 Ni 0.7~1.3 V 0.4~1.0 W 0.3~1.0 S 0.002 P 0.012 N、RE、Nb 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 E45-97 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 Steel
A(硫化物) 细 0.5 粗 0.5
B(氧化铝) 细 1.0 粗 0.5
C(硅酸盐氧化物) 细 1.0 粗 1.0
D(球状氧化物) 细 1.0 粗 1.0
3.1.2 HHD 钢组织及晶粒度检验 钢组织及晶粒度 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 图 1 HHD 钢组织及晶粒度
(c) 晶粒度组织 ×500
Fig. 2 Microstructure and Grain Size of HHD Steel
3.1.3 HHD 钢力学性能检验 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 ℃ 26.7 200 300 400 450 600 700 750 硬度 (HRC) HRC48.0 HV724.2 HV619.0 HV498.2 HV296.0 抗拉强度 σs (MPa) 1800 1660 1540 1030 302 屈服强度 σb (MPa) 1300 1370 1320 920 270 延伸率 δ (%) 8.0 5.3 5.5 6.0 22.5 断面收缩率  (%) 19.5 18.8 22.0 31.0 85.5 冲击韧性 αk (J/cm2) 263.5 331.0
339.0
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、 J/cm2 和 339 J/cm2, HHD 331 当 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: 热疲劳性能检验 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 HHD 4Cr5MoSiV1(8407) 2000 次热循环 主裂纹长度 (mm) 1.61 2.17 主裂纹宽度 (mm) 0.10 0.28
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 650℃20℃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 转向柱管下支架压 铸模 CDMA 接收机盖板压 铸模 放气阀本体铜合金 压铸模 模具材料 ASSAB8407 HHD DIEVAR HHD 3Cr2W8V HHD 使用寿命(件) 已 经 使 用 7.8 万模次 42000 71000 3800 22000 使用情况 表面皱褶,焊补过 2 次, 表面局部有龟裂,无焊补 点蚀,外观不符合要求 点蚀,外观不符合要求 粘模,尺寸超差 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 10~30nm,M23C6 直径约 50~100nm,Mo2C 直径小于 10nm,长度小于 100nm,对模具钢有很好的 强化作用[6~8]。
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 #207- 2003 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, (10):35-37. 2 [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. [4]QROTM 90 superme, Alloy Digest, 1992(2),509 [5] 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,2005.2 [6] 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) :481-489 [7] Q. C. Jiang,J. R. Fang,Q. F. Guan, Thermomechanical Fatigue Behavior of Cr-Ni-Mo Cast Hot Work Die Steel, Scripta Materialia, 2001, 45: 199-204 [8] GUAN Qingfeng, FANG Jianru JIANG Qichuan,, Microstructure and thermal fatigue Behavior of Cr-Ni-Mo hot work die steel modified by Rare Earth, ISIJ international, 2003, 43(5), 784-789
 
 
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