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高端進口模具材料QDX-Harmotex? 在壓鑄方面的應用以及模具的真空熱處理技術

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-08-06  瀏覽次數:260
核心提示:本文介紹了日本山陽特鋼研發的鋁合金壓鑄用新模具材料QDX-HARMOTEX?的性能。壓鑄應用對模具材料的要求極高,既需要材料具有高韌性以避免模具的龜裂紋產生與發展,也需要材料具有極其優良的耐高溫性能。QDX-HARMOTEX?是相對于通常使用的PGH13類材料具有相對的低硅元素,但是高鉬元素含量的材料。 在化學成分的平衡方面以及材料內部碳化物的有效控制方面得到了良好的優化與平衡。使得此材料在顯微組織優化方面,韌性,淬透性,耐高溫回火性, 耐龜裂紋性能,耐溶蝕等諸多性能均較通常使用的進口AISI PGH13
高端進口模具材料QDX-Harmotex® 在壓鑄方面的應用以及模具的真空熱處理技術

上海博優模具材料有限公司    李 實博士


摘要:
本文介紹了日本山陽特鋼研發的鋁合金壓鑄用新模具材料QDX-HARMOTEX®的性能。壓鑄應用對模具材料的要求極高,既需要材料具有高韌性以避免模具的龜裂紋產生與發展,也需要材料具有極其優良的耐高溫性能。QDX-HARMOTEX®是相對于通常使用的PGH13類材料具有相對的低硅元素,但是高鉬元素含量的材料。 在化學成分的平衡方面以及材料內部碳化物的有效控制方面得到了良好的優化與平衡。使得此材料在顯微組織優化方面,韌性,淬透性,耐高溫回火性, 耐龜裂紋性能,耐溶蝕等諸多性能均較通常使用的進口AISI PGH13超優質材料有較大的提高。 能夠有效的提高與延長模具壽命。對于影響壓鑄模具壽命的模具的真空熱處理工藝本文也做了相應的介紹。

關鍵詞:模具材料;QDX;模具壽命;熱疲勞裂紋;模具熱處理。

前言:
冶金材料科學工作者的努力方向之一是不斷研發出新的材料以滿足工程技術應用的需要。在壓鑄領域,近20年來已陸續開發出許多新型壓鑄模具材料,并廣泛應用于實際生產。然而在鋁、鎂合金壓鑄用模具鋼材方面,相當部分還是采用國外進口材料,例如:美國AISI H11(德國DIN 1.2343,日本JIS SKD6) 及AISI H13(德國DIN 1.2344,日本JIS SKD61)等鋼種。從應用角度講,壓鑄模具鋼材應當具有抗微裂紋形成(即熱疲勞裂紋或稱龜裂紋)能力這需要材料具有極佳的耐高溫回火性能[1]。同時,模具鋼材也要具有抗裂紋擴展及延伸的能力這需要材料具有極佳的韌性。

為了達到更加良好的耐高溫性能與良好的韌性,特殊鋼材料制造廠家研發出了較典型的AISI H13材料在成分上調整后的低硅元素-高鉬元素的改良型模具鋼材料。北美壓鑄學會(NADCA)[2] 更是把壓鑄用模具材料細分為A,B,C,D,E五類模具材料。其中,A類是優質H13 即:PGH13。C類材料在改良型鋼種中的耐高溫性能最佳,E類材料的韌性最高。

QDX-HARMOTEX®是具有良好的耐高溫性能與良好的韌性的新模具材料。材料相當北美壓鑄學會(NADCA)五類材料中的C類材料,具有更佳的耐高溫性能。以下就QDX-HARMOTEX®材料的合金元素,純凈度,顯微組織,以及相應的應用性能進行介紹。

對于壓鑄模具的使用,模具的真空熱處理工藝與實際應用技術也是至關重要。現在普遍采用真空設備加熱模具到奧氏體化溫度避免模具在高溫環境下的表面脫碳。模具在長時間保溫后,在壓力氮氣(4-10巴)下或者油槽中淬火形成所需要的馬氏體組織。經過多次回火后,達到所需要的模具使用硬度。文章也對新型熱處理工藝進行了討論。列舉了模具實際使用案例。

一.模具材料QDX-HARMOTEX® 的特點

1、 合金元素的優化
眾所周知,合金元素是影響鋼材性能的基本因素之一。從金屬學角度講,鋼材的性能取決于合金元素的性質與含量、冶煉技術及其熱處理后的顯微組織。良好的出廠宏觀與微觀組織是材料使用性能的保障。
AISI H13改良型鋼主要是對鋼中的合金元素進行調整。鋼中的常見合金元素如:碳、鉻、鉬、釩、硅和錳等對模具鋼的韌性及抗熱疲勞性能均有影響(見表1)[3]。

表1 不同合金元素對模具鋼韌性及抗熱疲勞性能的影響
image002-表1
多數改良型鋼種采用降低硅含量的措施來提高韌性即把AISI H13中的硅(Si)元素含量從1%左右降低到0.2-0.5%。當Si含量降到0.10%以下時,鋼材的加工性能變得很差[4]。 一般Si含量控制在0.20%~0.35%范圍內,以滿足加工性能的要求。

改良型鋼中的鉬含量較AISI H13 鋼的1.3%(wt)有所提高,一般控制在1.6%~3.0%之間[5] 。而碳元素、釩元素的含量則有所下降。
QDX-HARMOTEX®對碳元素-鉬元素-硅元素-釩元素進行了調整使得合金元素達到最佳的平衡, 也就是在下文介紹的一次碳化物在高倍率掃描電子顯微鏡下幾乎觀察不到。

2、 高純凈鋼
QDX-HARMOTEX® 材料的冶煉工藝采用的是電爐熔煉(EAF),然后采用爐外精煉之后采用RH真空脫氣熔煉技術。鑄成鋼錠后,把鋼錠再進行ESR電渣重熔精煉。使得材料的非金屬夾雜物降低到極低的水準。如表2所示,鋼材中的四種非金屬夾雜物即:硫化物,氧化鋁,硅酸鹽,復合氧化物均達到并且優于北美壓鑄學會(NADCA)規定的夾雜物要求。
表2 QDX-HARMOTEX® 鋼種的夾雜物等級
image004-表2
QDX-HARMOTEX® 采取最優化的鍛造方案,確保了產品性能的各向均勻性[6]。在實際應用中,模具材料的各向同性(Isotropy)可使模材在各個方向上的性能均勻一致或接近,使模具型腔的壽命不會因取材的位置和方向而受影響。

3、出廠組織的控制
出廠前,材料的退火態顯微組織、布氏硬度等是衡量出廠材料的主要指標。QDX-HARMOTEX® 材料在適當的熱處理后,晶粒度在7級以上。出廠布氏硬度約為160 HB, 加工性能良好。圖1所示為典型的QDX-HARMOTEX® 退火金相組織。材料晶粒細小,組織是球化退火態。
image006-圖1
圖1 QDX-HARMOTEX® 的退火金相組織 X500

4、回火特性:
QDX-HARMOTEX®材料的高溫回火性能明顯優于H13材料。圖2所示是QDX-HARMOTEX® 材料與 H13材料的回火曲線的對比,兩種材料均采用1030攝氏度保溫30分鐘后空冷然后測量不同溫度下的回火硬度得出回火曲線。可以看出,QDX-HARMOTEX®加優越。

image008-圖2
圖2 新材料的回火特性曲線與H13材料的對比

5、 高溫抗軟化性能:

圖3 是QDX-HARMOTEX®材料在600攝氏度高溫長時間保溫時硬度的變化與H13的對比。兩種材料初始硬度在44-46HRC,在600攝氏度下保溫不同時間空冷后,測量硬度。可以看出,QDX-HARMOTEX®在保溫30小時后的硬度下降值比 H13要少,說明材料的高溫抗軟化性能更加優越。鋁合金用高壓壓鑄模具在使用中,之所以會產生熱疲勞裂紋的原因之一是由于鋁合金液體在模具型腔內凝固過程中釋放熱量使得模具材料表面的硬度下降。高溫抗軟化性能的提高能夠增強材料的耐熱疲勞性能。

image010-圖3
圖 3 新材料在600攝氏度高溫長時間保溫的硬度下降對比曲線
6、材料的韌性:

QDX-HARMOTEX®材料的板材按北美壓鑄學會的技術標準在材料的心部取材制作沖擊試驗樣品。在材料最弱的厚度的橫向做沖擊試驗,材料的硬度是44-46HRC。試驗結果如圖4所示,QDX-HARMOTEX®較H13材料韌性有50%以上的提高。韌性的提高不僅可以避免模具在使用中出現整體開裂的風險同時也能夠提高材料的耐熱疲勞性能。

image012-圖4
圖4 新材料的韌性與H 13材料的對比。

7、 淬火后的金相組織:
圖 5是新材料在淬火回火后的金相組織(板材橫截面尺寸:325X725毫米)。組織是回火馬氏體,馬氏體針細小均勻組織良好。

image014-圖5
圖 5 QDX-HARMOTEX®材料的淬火-回火組織 X500
圖6是QDX-HARMOTEX®材料淬火-回火組織在掃描電子顯微鏡(SEM)下放大2000倍的組織。可以看出,材料在高放大倍數下組織中含有極少的一次碳化物。材料的耐龜裂紋性能的提高需要材料具有及其少量的一次碳化物[7]。 而H13材料通常在X2000倍下的組織中具有更多的較大顆粒一次碳化物,如圖7所示。正是這些較大顆粒的一次碳化物的分布密度較高而且顆粒較大,降低了H13類材料的韌性。在使用中,龜裂紋的擴展會沿著晶界的碳化物逐步擴展使得材料耐龜裂紋性能下降裂紋擴展加速。

image016-圖6
圖 6 QDX-HARMOTEX®材料的淬火-回火掃描電鏡組織 X2000

image018-圖7
圖7 H13材料的淬火-回火掃描電鏡組織 X2000;組織中有較大顆粒的一次碳化物而且分布密度較高,降低材料耐龜裂紋性能[7]。

8、連續冷卻曲線:
QDX-HARMOTEX®材料的CCT連續冷卻曲線如圖8 所示。新材料的珠光體區較H13 材料向右側移動使得新材料的淬透性能夠有很大的提高。新材料更加適合于大尺寸的模具使用,因為大尺寸模具材料在熱處理淬火時心部的冷卻速度會急劇降低。當模具的心部冷卻速度緩慢下來后,極有可能最終組織跨過CCT曲線的珠光體區例如H13材料。這時由于珠光體組織的形成,即使模具材料的最終硬度達到設計的要求,但是材料的韌性會急劇下降。對于壓鑄用模具材料,一旦有珠光體形成材料的沖擊韌性會下降到10焦耳(V-型)以下,模具有開裂的風險。NADCA要求材料熱處理后的沖擊韌性應當高于11焦耳(V-型)。所以,新材料的CCT曲線珠光體區的右移會有利于大型模具的熱處理從而提高材料的整體韌性與耐熱疲勞裂紋性能。

image020-圖8
圖 8 QDX-HARMOTEX®材料的CCT曲線 

9 耐龜裂紋性能的測試:

耐龜裂紋試驗是采用直徑40毫米直徑的圓棒在固定速度下旋轉,感應加熱到600攝氏度后保溫5秒然后水冷50秒,反復循環1000次后觀察材料表面裂紋的深度與裂紋的數量。 QDX-HARMOTEX®材料比H13材料的裂紋深度明顯小,而且裂紋的數量也少,如圖9所示。

image022-圖9
圖9 QDX-HARMOTEX®材料與H13材料耐龜裂紋性能對比試驗結果


二、壓鑄模具的真空熱處理技術

1. 典型的模具真空熱處理工藝:
如圖10所示,壓鑄模具裝入料筐內。模具預留熱電偶插孔,心部表面都需要有插孔。實際熱處理過程的溫度與實際控制是按照表面與心部的熱電偶給出的數據具體執行。典型的真空熱處理示意圖由圖11給出,其包括兩步預熱,奧氏體化,高壓氣體壓力淬火,回火等步驟。

image024-圖10
圖10 模具裝載照片,表面與心部的熱電偶。


image026-圖11
圖11 典型的模具真空熱處理工藝示意圖

2. 模具的預熱:
模具在熱處理過程中,需要有兩步預熱。通常第一步預熱在模具材料的Ac1溫度之下,一般選擇在550-750度之間。這部預熱的目的是使得模具表面與心部盡量均勻以期待減少溫度差別帶來的熱應力,減少模具熱處理后的變形。模具的加熱速度按照170-220度/小時進行。

模具的第二步預熱是在800-850度之間,保溫后使得模具表面與心部盡量達到一致。這個溫度區間,模具的退火態組織的珠光體部分轉變成高溫的奧氏體。

奧氏體化溫度通常采用1010-1050之間,根據實際應用可以選擇高溫段。這樣模具材料的合金元素會比較完全的擴散到奧氏體基體。提高模具材料的耐高溫性能與韌性。但是,高溫保溫時間需要嚴格的按照北美壓鑄學會(NADCA)的技術指標執行:在心部熱電偶達到設定溫度(<15度)記錄保溫時間在30分鐘,立即淬火。

圖12是模具在高溫段保溫曲線。心部到溫后保溫30分鐘后淬火。
image028-圖12
圖12 模具真空熱處理高溫段保溫曲線。
3、 模具的淬火:

氮氣淬火壓力通常使用6-10個巴的壓力。風機轉速在1500-3000RPM。按照北美壓鑄學會(NADCA)技術標準要求,在淬火溫度到540度之間需要絕對冷卻速度達到28度/分鐘。但是對于大型模具,重量在800公斤以上時,實際模具表面冷卻速度只有22度/分鐘[8] 。對于高韌性模具材料QDX-Harmotex® 在這個冷速下,模具的表面韌性可以達到40焦耳以上的U-型沖擊功。圖13所示是大型模塊材料280x500X830毫米的熱處理試驗照片。

image030-圖13
圖13所示是大型模塊材料280x500X830毫米的熱處理試驗照片

對于大型模具在Ms點附近,冷卻需要減慢。模具的表面首先形成馬氏體組織,模具表面的強度提高而心部仍然是奧氏體組織。當心部開始轉變成馬氏體時,模具材料的體積膨脹,形成內部應力。緩慢冷卻可以避免模具在冷卻過程中的開裂。當模具表面冷卻到50-度時,熱處理模具從真空設備中取出。立即回火[8] 。

4、 模具的回火:

壓鑄模具的回火至關重要。現在常見的問題是回火保溫時間不足,導致模具產生脆性。 通常壓鑄模具需要回火三次,大型模具需要回火四次乃至五次,確保模具內應力在回火后得到釋放。回火的保溫時間通常按照模具的有效厚度計算。每25毫米的厚度保溫2小時。

通常第一次回火采用560度。也有采用580度或者更高溫度的,其目的是避免在材料的回火脆性區回火,通常在550度。第一次回火后,模具需要風冷。這樣,模具內部的殘余奧氏體在冷卻過程中可以轉變成新生的馬氏體組織。其在第二次回火時,得到回火形成回火馬氏體。

第二次回火的主要目的是得到模具材料的使用硬度,同時第一次回火所形成的馬氏體得到充分的回火。模具硬度的取得可以使用較高的回火溫度,也可以通過使用較低的回火溫度但是延長保溫時間來得到硬度[9]。較低溫度較長時間保溫回火,得到的模具硬度有兩點好處:一個是模具心部尤其是大型模具能夠得到良好的回火。第二是較低溫度(600度以下)保溫所析出的碳化物顆粒更加細小[10] [11] [12] 。

第三次回火的目的主要是去應力。模具尤其是大型模具在熱處理后,由于組織的轉變以及熱應力的交互作用產生的內部應力需要消除。通過高溫回火,可以降低材料內部應力。避免模具在使用過程中出現開裂問題[13]。對于大型模具,有必要進行更多次的高溫回火來降低模具內部應力。

三.QDX-HARMOTEX®模具材料實際使用案例:
圖13-a是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的模具。隨著通訊事業的發展,鋁合金基站殼體被廣泛的使用在通訊行業如:4G, 5G。這些產品是由高壓壓鑄工藝制造的。由于是外觀產品,相應的對模具耐早期裂紋性能要求嚴格。QDX-HARMOTEX®模具材料在壓鑄通訊基站鋁合金產品方面,有良好的壽命表現。

image032-圖13a
圖13 b, c是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的汽車發動機缸體模具以及真空壓鑄模具。在汽車壓鑄產品領域QDX-HARMOTEX®材料的使用壽命較同類模具材料具有更長的模具使用壽命。

結論:

日本山陽特鋼研發的新模具材料QDX-HARMOTEX®是PGH13 改良材料,具有較低的碳元素-低硅元素-高鉬元素的特點。新材料在純凈度,顯微組織等諸多性能方面達到了NADCA的技術標準對C類材料的要求。而且具有更加優良的耐高溫回火性能,抗軟化性能,優良的韌性能夠克服龜裂紋的延展。材料的淬透性有更好的提高適合大型模具的使用。耐龜裂紋試驗證實新材料具有優良的耐龜裂紋性能。

模具的真空熱處理,需要使用表面與心部熱電偶來控制高溫保溫時間。高壓氣體冷卻需要保證在模具不開裂的前提下,使用最快的冷卻速度確保良好的組織轉變與使用性能。回火的保溫時間要足夠長,確保大型模具的心部得到足夠的回火。

QDX-HARMOTEX®模具材料在通訊壓鑄模具以及汽車鋁合金壓鑄模具應用方面有良好的表現。有效的提高了壓鑄模具的使用壽命。

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文章來源: 上海博優模具材料有限公司 李實博士授權
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