合金元素對熱作模具鋼高溫強度的影響及新型壓鑄模用鋼的研制

島村祐太，舘幸生，中間一夫于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105）

1 引言

近年來，機動車燃油費成本增加，推動了自動車車體和鋁制品部件向高強度、輕量化發展。使制造汽車部件的成型模具負荷強度不斷增大。同時，在提高汽車制造行業產能及效率，縮短加工周期的背景下，模具具有在惡劣的作業環境下，抵抗熱疲勞裂紋、提高抗軟化性能的要求愈加強烈，使用壽命長、性能高的新型模具材料亟待開發。

抵抗熱疲勞裂紋是熱作模具鋼的重要指標之一。如圖1所示壓鑄模的腔體內表面和轉動部分產生的熱疲勞裂紋。這樣的裂紋對制品的精度及表面產生極其惡劣的影響，降低了模具使用壽命，增加制造成本，有效抑制熱疲勞裂紋的產生是高性能熱作模具鋼的重要性能指標。

圖1 表面熱疲勞裂紋示例

熱疲勞裂紋在模具腔體表面呈現為龜裂狀，在使用過程的熱效應的作用下，使得模具表面軟化，與大氣接觸使裂紋兩側被氧化、在熱·冷交替連續的循環周期作用下，導致膨脹·收縮，加速裂紋擴展。如圖2所示，產生熱疲勞裂紋的模具材料斷面的顯微組織。④的箭頭所示為熱疲勞裂紋，模具內部①淬回火硬度高達50HRC，②的表面硬度僅為35～40HRC，可以確認③為氧化層。綜上,控制材料的熱疲勞裂紋的關鍵是從提高材料的性能入手，在外界熱疲勞的作用下,有效抑制材料微裂紋的產生、擴展。研究模具材料的基礎性能，重點控制微裂紋的產生，首先要提高材料的高溫強度（抗軟化性）、抑制微裂紋的擴展、提高韌性、提高熱導率緩解熱熱疲勞等方面進行控制。以上可以看出，材料的高溫強度與韌性具有矛盾性，C、Mo、V含量增加可以提高高溫強度，而以上合金元素的增加加劇偏析，同時使碳化物含量增加，造成韌性不足。在這里，本文以提高高溫強度為目的，題為合金元素對熱作模具鋼高溫強度的影響為主要內容，深入討論，并以此分析結果研制開發新型壓鑄模用鋼QDXHARMOTEX，并對該鋼的諸多特性進行初步探討。

圖2 壓鑄件破損表面的橫截面顯微組織

2 試驗方法

2.1 試樣的制作及化學成分

采用真空感應爐冶煉、澆注100kg鋼錠。鋼錠經1,230℃加熱鍛造加工成35×70mm扁鋼，870℃保溫2h緩冷退火。加工比為10.0。表1所示為試樣化學成分，化學成分以0.33C-0.12Si-0.60Mn-5.1Cr-2.0Mo-0.5V（mass%）為基礎，主要對Cr、Mo、V進行微調設計6種化學成分。對碳化物形成元素的添加量作以調整，淬回火后穩定碳化物所占的比率有所變化，特別是對高溫強度影響顯著的合金元素微調，進行成分進行設計。D1～D5鋼在北美壓鑄模協會（NADCA）的C鋼成分范圍內。表中成分參照JIS標準中SKD61的化學成分。

表1 試樣的化學成分（%）

分別對淬回火硬度、抗軟化性、沖擊性等特性進行試驗研究。淬回火硬度試驗，從試料心部切取邊長為15mm的試樣，經500℃～640℃保溫60min空冷重復處理2次，測試布氏硬度。同時模擬實際的模具熱處理制度，收集淬回火硬度數據。經冷卻30min后淬火，580℃～595℃保溫5h重復處理3次，進行硬度測試，按照以上熱處理制度，淬火后冷卻速度與300mm方鋼油冷心部冷卻速度相當。

抗軟化性試驗。從試料心部切取邊長為15mm的試樣，要求試樣滿足45HRC調質硬度。測試調質硬度后，試樣在箱式爐進行溫度為600℃的保溫時長為3～100h，空冷后測試硬度，對抗軟化性進行評價。

夏比沖擊試驗。試樣從試料心部與軋制方向垂直面切取60×13×13mm毛坯試樣，經45HRC硬度調質處理后，按照標準加工成2mm-V缺口試樣進行試驗。試驗溫度為常溫。

2.2 淬回火后碳化物類型與碳化物所占比例預測

如表2所示，淬回火處理條件下45HRC調質硬度下析出碳化物種類及所占比例的平均計算結果。采用Thermo-Calc?綜合熱力學計算軟件系統，以TCFe6數據為基礎。而且，1,030℃淬火態下不同回火溫度析出的各類穩定碳化物所占的百分比。如圖3所示，淬回火后Mo、V及Cr合金元素含量對穩定碳化物的析出類型的影響示意圖。在本研究的化學成分范圍內,M2C型碳化物隨著V含量的增加Mo含量的降低而增加。同時隨著Cr含量的降低碳化物也有增加傾向。一方面，M6C型碳化物隨著Mo含量的增加V含量的降低有增加傾向。另一方面，M23C6型碳化物隨著V、Mo含量的降低有增加傾向。多種碳化物的綜合作用結果，本研究在試驗鋼成分范圍內，預測淬回火后穩定碳化物的析出種類及所占比率。

圖3 Mo、V和Cr合金元素對析出碳化物的影響

表2 淬回火條件下穩定碳化物的體積分數

3 試驗結果

3.1 淬回火硬度

如圖4所示，淬回火硬度示意圖。淬回火后D4鋼的抗高溫軟化性能最好，D3、D1、D2、D6、D5鋼抗高溫回火性能逐漸減弱。表2所示為淬回火狀態下析出的碳化物及所占比率，D4鋼中M2C作為穩定的碳化物所占的比率較高，表現出優越的抗高溫軟化性能。M2C、M6C、M23C6型碳化物在高溫狀態下較為粗大，M2C型碳化物硬度為1,800～3,000HV，M6C為1,600～2,300HV，M23C6為1,000～1,800HV，M2C型碳化物具有較高硬度。碳化物具有強化作用，M2C型碳化物對抑制高溫軟化，保持紅硬性的作用較為突出。

圖4 回火溫度對D1～D6鋼硬度的影響

3.2 抗軟化性

圖5所示為抗軟化性試驗結果。如表3所示，試樣原始初期調質硬度為45HRC的回火溫度下，保溫100h后用硬度的下降量（以下稱為軟化量）表示。軟化量的試驗結果顯示，D3、D4鋼的軟化量最少，D2、D1、D6、D5軟化量依次增加，與先前抗高溫軟化傾向的分析結果一致。即調質處理時回火溫度較低的D5、D6鋼軟化度減量最大。而調質處理時回火溫度較高的D3、D4鋼軟化度減量較少。這是由于回火溫度高有利于碳化物的析出及長大，隨即在600℃的溫度下保溫后，作為影響軟化性能的主要原因之一,碳化物的迅速析出及緩慢長大是主要影響因素。在高的回火溫度達到目標的調質硬度，有利于提高抗軟化性能，即確保在淬回火狀態下獲得穩定的M2C碳化物作為成分設計的主導思想。

圖5 保持時間對D1～D6鋼硬度的影響

表3 600℃保溫100h硬度下降值

3.3 緩慢冷卻淬回火硬度

前述試驗，試樣尺寸較小，冷速較快（理想）狀態，而作為熱鍛模具尺寸要遠遠大于試樣尺寸，模具心部從淬火態冷卻時降溫速度降低，使回火保溫時間變長。此外，為了提高韌性，需要3次回火以滿足使用需求。實際壓鑄模熱處理淬回火硬度的波動情況與圖4結果略有差異。在這里，考慮大型模具，對緩慢冷卻淬回火硬度進行測定。如圖6所示，D1、D4及D6鋼緩慢冷卻淬回火硬度。D4和D1鋼比D6鋼能保持較高硬度。淬回火硬度要滿足壓鑄模的實際生產條件，試驗中使用的試樣尺寸較小、冷速較快，和實際生產存在差異。在這里，對析出碳化物的類型、緩慢冷卻淬回火硬度的測定、采用殘渣法測定碳化物析出類型、X線反射結果分別解析。以D1、D6鋼作為試驗對象，采用590℃溫度回火。X射線反射結果如圖7所示。兩鋼種析出碳化物為MC、M2C、M23C6及M3C。其中M2C碳化物及M23C6、MC碳化物對應峰值（1）及（2）進行比較，D1鋼的峰值（1）較高，可以確認D1鋼的M2C型碳化物析出較多。

圖6 D1、D4和D6鋼回火溫度與硬度的關系

圖7 D1、D6鋼X-射線碳化物分析結果

3.4 韌性

如圖8所示，夏比沖擊試驗結果。D1、D6鋼的沖擊值最高，D2、D4、D3、D5依次降低。表2所示穩定碳化物的種類及所占比率的比較結果，M6C、M2C、MC型碳化物越多，沖擊值降低。Mo、V是構成以上碳化物的主要元素，同時顯微組織的不均勻性及元素偏析也對沖擊值產生影響。

4 QDX-HARMOTEX的開發

4.1 QDX-HARMOTEX開發與策劃

前面已經討論過,提高高溫強度(抗軟化性)的有效方法為,材料具有高溫回火時晶粒粗化傾向小，硬度較高的M2C碳化物析出較多的特性,即為增加V的合金含量,降低Mo、Cr合金含量，添加過量的Mo和V合金含量，使材料韌性降低。高溫強度與韌性兼顧考慮，進行成分合金元素配比。以JIS標準SKD61鋼為基礎開發研制抗軟化性優良的QDX-HARMOTEX壓鑄模具用鋼。該鋼種采用電渣重熔工藝，具有組織致密、性能優良的特性。該材料具有抗軟化性及抵抗裂紋敏感性、高韌性為產品特性，本文對QDXHARMOTEX的淬回火硬度、抗軟化性、韌性、抵抗裂紋敏感性進行了詳細探討。

4.2 試驗方法

試驗材料經60t電爐、LF爐精煉，RH真空脫氣，鑄錠加工后經電渣重熔（ESR）后，再經加熱、鍛造成型。成品外形尺寸與SKD61 ESR略有不同，QDX-HARMOTEX規格為180×610mm，SKD61 ESR規格為140×270mm。其他淬回火制度及抗軟化性、韌性試驗相同如2.1節所述。在此進行了抗裂紋敏感性試驗，是在模擬實際作業環境下進行。試驗裝置略圖如圖9所示。中央的試驗料周圍有加熱線圈及冷卻孔環繞，對試驗料進行高周波電流的急速加熱、冷卻交替循環操作。本次試驗，試驗料的硬度為45HRC，600℃加熱保溫5s，1,000個加熱、冷卻周期循環，觀察試驗料的整體疲勞裂紋情況及裂紋最大深度，并對比分析。

圖9 熱疲勞裂紋試驗裝置示意圖

4.3 試驗結果

如圖10所示，QDX-HARMOTEX與SKD61 ESR的淬回火特性比較。QDX-HARMOTEX鋼是根據理論分析結果本文討論的滿足M2C碳化物析出較多進行合金元素配比，成分設計的高性能材料，在565～570℃以上溫度回火，硬度明顯高于SKD61 ESR鋼。在較高的回火溫度，滿足壓鑄模的實際使用硬度為40～50HRC的要求，有效提高了壓鑄模的抗軟化性。

圖10 回火溫度對QDX-HARMOTEX and SKD61 ESR鋼硬度的影響

圖11所示為QDX-HARMOTEX和SKD61 ESR鋼的抗軟化試驗結果。從圖中可以看出，QDXHARMOTEX比SKD61 ESR鋼軟化量小，具有優良的抗高溫軟化性能。可以有效減少長時間使用所引起的模具軟化、抑制熱疲勞裂紋的產生，延長模具使用壽命。

圖11 回火溫度對QDX-HARMOTEX and SKD61 ESR鋼硬度的影響

圖12所示為常溫夏比沖擊試驗結果。QDXHARMOTEX鋼采用電渣重熔生產制造工藝，具有科學合理的合金元素配比，成分均勻、組織致密、偏析程度小、碳化物均勻細小，與SKD61 ESR相比具有更加優良的韌性。

圖12 沖擊試驗結果示意圖

圖13所示為熱疲勞裂紋的試驗結果，QDXHARMOTEX與SKD61 ESR相比，新型壓鑄模具鋼對表面熱疲勞裂紋的產生具有有效的抑制作用、同時有效減少熱疲勞裂紋的平均深度及最大深度。結果表明，該新型材料具有高溫強度高、韌性好、抗熱疲勞裂紋性強的特點。

圖13 熱疲勞裂紋試驗結果

5 結論

熱作模具鋼的高溫強度（抗軟化性能）、韌性及合金元素的影響有以下幾點：

（1）通過在高的回火溫度下達到目標硬度，在淬回火狀態下獲得穩定的M2C型碳化物的合金元素配比，可以獲得較好的抗軟化性能。

（2）淬回火狀態下，析出較多的M2C型碳化物的基礎成分，合金元素的配比為，0.33C-0.12Si-0.60Mn-5.1Cr-2.0Mo-0.5V（mass%），適當降低Cr、Mo含量，增加V含量。

（3）Mo、V的過量添加，使韌性下降。

（4）本文所述新型材料QDX-HARMOTEX與SKD61 ESR相比，具有優良的高溫強度和韌性，經試驗確認具有良好的抗熱疲勞裂紋性特性。

QDX-HARMOTEX是在滿足近年來模具鋼使用環境惡化，壓鑄模諸多性能亟待優化的背景下，研制開發的高性能材料，相當北美壓鑄模協會（NADCA）的C grade材料，經驗證對于材料性能給予很高的評價。QDX-HARMOTEX能夠抑制熱疲勞裂紋的產生，具有良好的強韌性配合，材料各項性能穩定，延長模具使用壽命。