高韧性、高耐磨热作模具钢

 
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新型高性能热作模具钢(HODMAX)
在压铸模上的应用
Application of New Type (HODMAX Steel) on Die Casting Die
   本文研究了加拿大SOREL FORGE钢厂的新型高性能、高耐磨热作模具钢(HODMAX)的实验室检测结果和现场应用结果。HODMAX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10.5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。HODMAX钢模具现场使用情况表明,HODMAX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HODMAX制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是H21(3Cr2W8V)模具4倍以上。
 
关键词: HODMAX,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L6、5CrMnMo,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相比,QRO80M和ORO90Supreme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HODMAX,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

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摄氏度后,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。

3 试验结果

3.1 HODMAX性能检测结果

3.1.1HODMAX非金属夹杂物检验
HODMAX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 HODMAX的非金属夹杂物等级
 Table 2 Degree of Inclusion in HODMAX Steel
A(硫化物)
B(氧化铝)
C(硅酸盐氧化物)
D(球状氧化物)
0.5
0.5
1.0
0.5
1.0
1.0
1.0
1.0
 
3.1.2HODMAX组织及晶粒度检验
HODMAX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10.5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1HODMAX组织及晶粒度
Fig. 2 Microstructure and Grain Size of HODMAX Steel
 
3.1.3 HODMAX力学性能检验
表3 HODMAX的力学性能
Table 3 Mechanical properties of HODMAX 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)
26.7
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经高温淬火+回火处理后的高温力学性能。由表可以看出,HODMAX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,HODMAX保持较高的硬度;当温度升高到600摄氏度时,硬度下降到498.2HV;当温度达到750摄氏度时,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,HODMAX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HODMAX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HODMAX冲击韧性已经达到国际顶级模具材料水平。
 
3.1.4 HODMAX热疲劳性能检验
 
 
 
 
 
 
 
 
图2热循环2000次后热疲劳裂纹形貌 (a) 8407  (b) HODMAX
Fig. 2 Thermal fatigue cracks morphology after 2000 cycles (a) 8407 steel (b) HODMAX 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)
HODMAX
1.61
0.10
H13ESR (8407)
2.17
0.28
 
图2为热循环2000次后热疲劳裂纹形貌,可以看出HODMAX的抗热疲劳性能要优于8407。由表4可知,在相同的600摄氏度«20摄氏度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HODMAX的1.51倍和2.87倍。

3.2 HODMAX现场应用结果

表5. HODMAX现场应用
Table 5 Application results of HODMAX 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,
HODMAX
表面局部有龟裂,无焊补
CDMA接收机盖板压铸模
DIEVAR
42000
点蚀,外观不符合要求
HODMAX
71000
点蚀,外观不符合要求
放气阀本体铜合金压铸模
H21
3800
粘模,尺寸超差
HODMAX
22000
粘模,尺寸超差
 
表5为HODMAX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HODMAX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,HODMAX压铸模具的寿命高于DIEVAR。在相同的工艺条件下,由HODMAX制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是H21(3Cr2W8V)模具4倍以上。
 

4 分析与讨论

欧洲模具钢厂往往采用电炉(或电弧炉)熔炼+炉外精炼+真空脱气+电渣重熔而成,HODMAX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,HODMAX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。HODMAX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,这说明HODMAX性能已经达到国际顶级模具材料水平。
HODMAX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。HODMAX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,HODMAX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10.5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。
2)        HODMAX模具现场使用情况表明,HODMAX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HODMAX制作的放气阀本体铜合金压铸模平均寿命是H21钢模具4倍以上。
相关应用
国内应用单位
热作模具
模具材料
寿命
加拿大Winstech公司(魁北克省)
铝合金转向柱管下支架压铸衬模
8407(进口)、
HODMAX
HODMAX钢约为8407(进口H13)钢的2.3倍。
美国(北美. 马萨诸塞州)B.F公司
铜合金放气阀本体压铸模具
H21、
HODMAX
HODMAX钢约为H21钢的3.9倍。
 
SOREL FORGE钢厂华南代表处:
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