高韧性、高耐磨热作模具钢
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)
|
||||
细
|
粗
|
细
|
粗
|
细
|
粗
|
细
|
粗
|
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:
东莞市肯纳特实业投资有限公司
连钢模具钢(香港)有限公司
T:86 769 83010750 F: 86 769 83016560
地址:广东省东莞市寮步镇凫山凫西工业区
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