高端進(jìn)口模具材料QDX-Harmotex® 在壓鑄方面的應(yīng)用以及模具的真空熱處理技術(shù)
上海博優(yōu)模具材料有限公司 李 實(shí)博士
摘要：
本文介紹了日本山陽(yáng)特鋼研發(fā)的鋁合金壓鑄用新模具材料QDX-HARMOTEX®的性能。壓鑄應(yīng)用對(duì)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(chǎn)生與發(fā)展，也需要材料具有極其優(yōu)良的耐高溫性能。QDX-HARMOTEX®是相對(duì)于通常使用的PGH13類(lèi)材料具有相對(duì)的低硅元素，但是高鉬元素含量的材料。 在化學(xué)成分的平衡方面以及材料內(nèi)部碳化物的有效控制方面得到了良好的優(yōu)化與平衡。使得此材料在顯微組織優(yōu)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(jìn)口AISI PGH13超優(yōu)質(zhì)材料有較大的提高。 能夠有效的提高與延長(zhǎng)模具壽命。對(duì)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(yīng)的介紹。
關(guān)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(xué)工作者的努力方向之一是不斷研發(fā)出新的材料以滿足工程技術(shù)應(yīng)用的需要。在壓鑄領(lǐng)域，近20年來(lái)已陸續(xù)開(kāi)發(fā)出許多新型壓鑄模具材料，并廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。然而在鋁、鎂合金壓鑄用模具鋼材方面，相當(dāng)部分還是采用國(guó)外進(jìn)口材料，例如：美國(guó)AISI H11(德國(guó)DIN 1.2343，日本JIS SKD6) 及AISI H13(德國(guó)DIN 1.2344，日本JIS SKD61)等鋼種。從應(yīng)用角度講，壓鑄模具鋼材應(yīng)當(dāng)具有抗微裂紋形成（即熱疲勞裂紋或稱(chēng)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(shí)，模具鋼材也要具有抗裂紋擴(kuò)展及延伸的能力這需要材料具有極佳的韌性。
為了達(dá)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(fā)出了較典型的AISI H13材料在成分上調(diào)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(xué)會(huì)（NADCA）[2] 更是把壓鑄用模具材料細(xì)分為A，B，C，D，E五類(lèi)模具材料。其中，A類(lèi)是優(yōu)質(zhì)H13 即：PGH13。C類(lèi)材料在改良型鋼種中的耐高溫性能最佳，E類(lèi)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(dāng)北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）五類(lèi)材料中的C類(lèi)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(yīng)的應(yīng)用性能進(jìn)行介紹。
對(duì)于壓鑄模具的使用，模具的真空熱處理工藝與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)也是至關(guān)重要?，F(xiàn)在普遍采用真空設(shè)備加熱模具到奧氏體化溫度避免模具在高溫環(huán)境下的表面脫碳。模具在長(zhǎng)時(shí)間保溫后，在壓力氮?dú)猓?－10巴）下或者油槽中淬火形成所需要的馬氏體組織。經(jīng)過(guò)多次回火后，達(dá)到所需要的模具使用硬度。文章也對(duì)新型熱處理工藝進(jìn)行了討論。列舉了模具實(shí)際使用案例。
一．模具材料QDX-HARMOTEX® 的特點(diǎn)
1、 合金元素的優(yōu)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(xué)角度講，鋼材的性能取決于合金元素的性質(zhì)與含量、冶煉技術(shù)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(duì)鋼中的合金元素進(jìn)行調(diào)整。鋼中的常見(jiàn)合金元素如：碳、鉻、鉬、釩、硅和錳等對(duì)模具鋼的韌性及抗熱疲勞性能均有影響（見(jiàn)表1）[3]。
表1 不同合金元素對(duì)模具鋼韌性及抗熱疲勞性能的影響
多數(shù)改良型鋼種采用降低硅含量的措施來(lái)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(dāng)Si含量降到0.10%以下時(shí)，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(nèi)，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(duì)碳元素－鉬元素－硅元素－釩元素進(jìn)行了調(diào)整使得合金元素達(dá)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(shù)。鑄成鋼錠后，把鋼錠再進(jìn)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(zhǔn)。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(fù)合氧化物均達(dá)到并且優(yōu)于北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）規(guī)定的夾雜物要求。
表2 QDX-HARMOTEX® 鋼種的夾雜物等級(jí)
QDX-HARMOTEX® 采取最優(yōu)化的鍛造方案，確保了產(chǎn)品性能的各向均勻性[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，模具材料的各向同性（Isotropy）可使模材在各個(gè)方向上的性能均勻一致或接近，使模具型腔的壽命不會(huì)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(tài)顯微組織、布氏硬度等是衡量出廠材料的主要指標(biāo)。QDX-HARMOTEX® 材料在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅Я６仍?級(jí)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(xì)小，組織是球化退火態(tài)。
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(yōu)于H13材料。圖2所示是QDX-HARMOTEX® 材料與 H13材料的回火曲線的對(duì)比，兩種材料均采用1030攝氏度保溫30分鐘后空冷然后測(cè)量不同溫度下的回火硬度得出回火曲線?？梢钥闯觯琎DX-HARMOTEX®加優(yōu)越。
圖2 新材料的回火特性曲線與H13材料的對(duì)比
5、 高溫抗軟化性能：
圖3 是QDX-HARMOTEX®材料在600攝氏度高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)硬度的變化與H13的對(duì)比。兩種材料初始硬度在44－46HRC，在600攝氏度下保溫不同時(shí)間空冷后，測(cè)量硬度。可以看出，QDX-HARMOTEX®在保溫30小時(shí)后的硬度下降值比 H13要少，說(shuō)明材料的高溫抗軟化性能更加優(yōu)越。鋁合金用高壓壓鑄模具在使用中，之所以會(huì)產(chǎn)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(nèi)凝固過(guò)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(qiáng)材料的耐熱疲勞性能。
圖 3 新材料在600攝氏度高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫的硬度下降對(duì)比曲線
6、材料的韌性：
QDX-HARMOTEX®材料的板材按北美壓鑄學(xué)會(huì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在材料的心部取材制作沖擊試驗(yàn)樣品。在材料最弱的厚度的橫向做沖擊試驗(yàn)，材料的硬度是44－46HRC。試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)整體開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)也能夠提高材料的耐熱疲勞性能。
圖4 新材料的韌性與H 13材料的對(duì)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(xì)小均勻組織良好。
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?？梢钥闯?，材料在高放大倍數(shù)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(lèi)材料的韌性。在使用中，龜裂紋的擴(kuò)展會(huì)沿著晶界的碳化物逐步擴(kuò)展使得材料耐龜裂紋性能下降裂紋擴(kuò)展加速。
圖 6 QDX-HARMOTEX®材料的淬火－回火掃描電鏡組織 X2000
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(xù)冷卻曲線：
QDX-HARMOTEX®材料的CCT連續(xù)冷卻曲線如圖8 所示。新材料的珠光體區(qū)較H13 材料向右側(cè)移動(dòng)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?yàn)榇蟪叽缒＞卟牧显跓崽幚泶慊饡r(shí)心部的冷卻速度會(huì)急劇降低。當(dāng)模具的心部冷卻速度緩慢下來(lái)后，極有可能最終組織跨過(guò)CCT曲線的珠光體區(qū)例如H13材料。這時(shí)由于珠光體組織的形成，即使模具材料的最終硬度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是材料的韌性會(huì)急劇下降。對(duì)于壓鑄用模具材料，一旦有珠光體形成材料的沖擊韌性會(huì)下降到10焦耳（V－型）以下，模具有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。NADCA要求材料熱處理后的沖擊韌性應(yīng)當(dāng)高于11焦耳（V－型）。所以，新材料的CCT曲線珠光體區(qū)的右移會(huì)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。
圖 8 QDX-HARMOTEX®材料的CCT曲線
9 耐龜裂紋性能的測(cè)試：
耐龜裂紋試驗(yàn)是采用直徑40毫米直徑的圓棒在固定速度下旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)加熱到600攝氏度后保溫5秒然后水冷50秒，反復(fù)循環(huán)1000次后觀察材料表面裂紋的深度與裂紋的數(shù)量。 QDX-HARMOTEX®材料比H13材料的裂紋深度明顯小，而且裂紋的數(shù)量也少，如圖9所示。
圖9 QDX-HARMOTEX®材料與H13材料耐龜裂紋性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
二、壓鑄模具的真空熱處理技術(shù)
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(nèi)。模具預(yù)留熱電偶插孔，心部表面都需要有插孔。實(shí)際熱處理過(guò)程的溫度與實(shí)際控制是按照表面與心部的熱電偶給出的數(shù)據(jù)具體執(zhí)行。典型的真空熱處理示意圖由圖11給出，其包括兩步預(yù)熱，奧氏體化，高壓氣體壓力淬火，回火等步驟。
圖10 模具裝載照片，表面與心部的熱電偶。
圖11 典型的模具真空熱處理工藝示意圖
2. 模具的預(yù)熱：
模具在熱處理過(guò)程中，需要有兩步預(yù)熱。通常第一步預(yù)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(yù)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(lái)的熱應(yīng)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(shí)進(jìn)行。
模具的第二步預(yù)熱是在800－850度之間，保溫后使得模具表面與心部盡量達(dá)到一致。這個(gè)溫度區(qū)間，模具的退火態(tài)組織的珠光體部分轉(zhuǎn)變成高溫的奧氏體。
奧氏體化溫度通常采用1010－1050之間，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可以選擇高溫段。這樣模具材料的合金元素會(huì)比較完全的擴(kuò)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(shí)間需要嚴(yán)格的按照北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）的技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行：在心部熱電偶達(dá)到設(shè)定溫度（<15度）記錄保溫時(shí)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。
圖12 模具真空熱處理高溫段保溫曲線。
3、 模具的淬火：
氮?dú)獯慊饓毫νǔＪ褂?－10個(gè)巴的壓力。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500－3000RPM。按照北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在淬火溫度到540度之間需要絕對(duì)冷卻速度達(dá)到28度／分鐘。但是對(duì)于大型模具，重量在800公斤以上時(shí)，實(shí)際模具表面冷卻速度只有22度／分鐘[8] 。對(duì)于高韌性模具材料QDX-Harmotex® 在這個(gè)冷速下，模具的表面韌性可以達(dá)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(yàn)照片。
圖13所示是大型模塊材料280x500X830毫米的熱處理試驗(yàn)照片
對(duì)于大型模具在Ms點(diǎn)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(qiáng)度提高而心部仍然是奧氏體組織。當(dāng)心部開(kāi)始轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，模具材料的體積膨脹，形成內(nèi)部應(yīng)力。緩慢冷卻可以避免模具在冷卻過(guò)程中的開(kāi)裂。當(dāng)模具表面冷卻到50－度時(shí)，熱處理模具從真空設(shè)備中取出。立即回火[8] 。
4、 模具的回火：
壓鑄模具的回火至關(guān)重要?，F(xiàn)在常見(jiàn)的問(wèn)題是回火保溫時(shí)間不足，導(dǎo)致模具產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力在回火后得到釋放。回火的保溫時(shí)間通常按照模具的有效厚度計(jì)算。每25毫米的厚度保溫2小時(shí)。
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(qū)回火，通常在550度。第一次回火后，模具需要風(fēng)冷。這樣，模具內(nèi)部的殘余奧氏體在冷卻過(guò)程中可以轉(zhuǎn)變成新生的馬氏體組織。其在第二次回火時(shí)，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(shí)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(guò)使用較低的回火溫度但是延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)得到硬度[9]。較低溫度較長(zhǎng)時(shí)間保溫回火，得到的模具硬度有兩點(diǎn)好處：一個(gè)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(xì)小[10] [11] [12] 。
第三次回火的目的主要是去應(yīng)力。模具尤其是大型模具在熱處理后，由于組織的轉(zhuǎn)變以及熱應(yīng)力的交互作用產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力需要消除。通過(guò)高溫回火，可以降低材料內(nèi)部應(yīng)力。避免模具在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題[13]。對(duì)于大型模具，有必要進(jìn)行更多次的高溫回火來(lái)降低模具內(nèi)部應(yīng)力。
三．QDX-HARMOTEX®模具材料實(shí)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(yè)的發(fā)展，鋁合金基站殼體被廣泛的使用在通訊行業(yè)如：4G， 5G。這些產(chǎn)品是由高壓壓鑄工藝制造的。由于是外觀產(chǎn)品，相應(yīng)的對(duì)模具耐早期裂紋性能要求嚴(yán)格。QDX-HARMOTEX®模具材料在壓鑄通訊基站鋁合金產(chǎn)品方面，有良好的壽命表現(xiàn)。
圖13 b, c是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具以及真空壓鑄模具。在汽車(chē)壓鑄產(chǎn)品領(lǐng)域QDX-HARMOTEX®材料的使用壽命較同類(lèi)模具材料具有更長(zhǎng)的模具使用壽命。
結(jié)論：
日本山陽(yáng)特鋼研發(fā)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(diǎn)。新材料在純凈度，顯微組織等諸多性能方面達(dá)到了NADCA的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)C類(lèi)材料的要求。而且具有更加優(yōu)良的耐高溫回火性能，抗軟化性能，優(yōu)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(yàn)證實(shí)新材料具有優(yōu)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(lái)控制高溫保溫時(shí)間。高壓氣體冷卻需要保證在模具不開(kāi)裂的前提下，使用最快的冷卻速度確保良好的組織轉(zhuǎn)變與使用性能?；鼗鸬谋貢r(shí)間要足夠長(zhǎng)，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(chē)鋁合金壓鑄模具應(yīng)用方面有良好的表現(xiàn)。有效的提高了壓鑄模具的使用壽命。
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上海博優(yōu)模具材料有限公司 李 實(shí)博士
摘要：
本文介紹了日本山陽(yáng)特鋼研發(fā)的鋁合金壓鑄用新模具材料QDX-HARMOTEX®的性能。壓鑄應(yīng)用對(duì)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(chǎn)生與發(fā)展，也需要材料具有極其優(yōu)良的耐高溫性能。QDX-HARMOTEX®是相對(duì)于通常使用的PGH13類(lèi)材料具有相對(duì)的低硅元素，但是高鉬元素含量的材料。 在化學(xué)成分的平衡方面以及材料內(nèi)部碳化物的有效控制方面得到了良好的優(yōu)化與平衡。使得此材料在顯微組織優(yōu)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(jìn)口AISI PGH13超優(yōu)質(zhì)材料有較大的提高。 能夠有效的提高與延長(zhǎng)模具壽命。對(duì)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(yīng)的介紹。
關(guān)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(xué)工作者的努力方向之一是不斷研發(fā)出新的材料以滿足工程技術(shù)應(yīng)用的需要。在壓鑄領(lǐng)域，近20年來(lái)已陸續(xù)開(kāi)發(fā)出許多新型壓鑄模具材料，并廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。然而在鋁、鎂合金壓鑄用模具鋼材方面，相當(dāng)部分還是采用國(guó)外進(jìn)口材料，例如：美國(guó)AISI H11(德國(guó)DIN 1.2343，日本JIS SKD6) 及AISI H13(德國(guó)DIN 1.2344，日本JIS SKD61)等鋼種。從應(yīng)用角度講，壓鑄模具鋼材應(yīng)當(dāng)具有抗微裂紋形成（即熱疲勞裂紋或稱(chēng)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(shí)，模具鋼材也要具有抗裂紋擴(kuò)展及延伸的能力這需要材料具有極佳的韌性。
為了達(dá)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(fā)出了較典型的AISI H13材料在成分上調(diào)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(xué)會(huì)（NADCA）[2] 更是把壓鑄用模具材料細(xì)分為A，B，C，D，E五類(lèi)模具材料。其中，A類(lèi)是優(yōu)質(zhì)H13 即：PGH13。C類(lèi)材料在改良型鋼種中的耐高溫性能最佳，E類(lèi)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(dāng)北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）五類(lèi)材料中的C類(lèi)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(yīng)的應(yīng)用性能進(jìn)行介紹。
對(duì)于壓鑄模具的使用，模具的真空熱處理工藝與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)也是至關(guān)重要?，F(xiàn)在普遍采用真空設(shè)備加熱模具到奧氏體化溫度避免模具在高溫環(huán)境下的表面脫碳。模具在長(zhǎng)時(shí)間保溫后，在壓力氮?dú)猓?－10巴）下或者油槽中淬火形成所需要的馬氏體組織。經(jīng)過(guò)多次回火后，達(dá)到所需要的模具使用硬度。文章也對(duì)新型熱處理工藝進(jìn)行了討論。列舉了模具實(shí)際使用案例。
一．模具材料QDX-HARMOTEX® 的特點(diǎn)
1、 合金元素的優(yōu)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(xué)角度講，鋼材的性能取決于合金元素的性質(zhì)與含量、冶煉技術(shù)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(duì)鋼中的合金元素進(jìn)行調(diào)整。鋼中的常見(jiàn)合金元素如：碳、鉻、鉬、釩、硅和錳等對(duì)模具鋼的韌性及抗熱疲勞性能均有影響（見(jiàn)表1）[3]。
表1 不同合金元素對(duì)模具鋼韌性及抗熱疲勞性能的影響
多數(shù)改良型鋼種采用降低硅含量的措施來(lái)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(dāng)Si含量降到0.10%以下時(shí)，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(nèi)，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(duì)碳元素－鉬元素－硅元素－釩元素進(jìn)行了調(diào)整使得合金元素達(dá)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(shù)。鑄成鋼錠后，把鋼錠再進(jìn)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(zhǔn)。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(fù)合氧化物均達(dá)到并且優(yōu)于北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）規(guī)定的夾雜物要求。
表2 QDX-HARMOTEX® 鋼種的夾雜物等級(jí)
QDX-HARMOTEX® 采取最優(yōu)化的鍛造方案，確保了產(chǎn)品性能的各向均勻性[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，模具材料的各向同性（Isotropy）可使模材在各個(gè)方向上的性能均勻一致或接近，使模具型腔的壽命不會(huì)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(tài)顯微組織、布氏硬度等是衡量出廠材料的主要指標(biāo)。QDX-HARMOTEX® 材料在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅Я６仍?級(jí)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(xì)小，組織是球化退火態(tài)。
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(yōu)于H13材料。圖2所示是QDX-HARMOTEX® 材料與 H13材料的回火曲線的對(duì)比，兩種材料均采用1030攝氏度保溫30分鐘后空冷然后測(cè)量不同溫度下的回火硬度得出回火曲線?？梢钥闯觯琎DX-HARMOTEX®加優(yōu)越。
圖2 新材料的回火特性曲線與H13材料的對(duì)比
5、 高溫抗軟化性能：
圖3 是QDX-HARMOTEX®材料在600攝氏度高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)硬度的變化與H13的對(duì)比。兩種材料初始硬度在44－46HRC，在600攝氏度下保溫不同時(shí)間空冷后，測(cè)量硬度。可以看出，QDX-HARMOTEX®在保溫30小時(shí)后的硬度下降值比 H13要少，說(shuō)明材料的高溫抗軟化性能更加優(yōu)越。鋁合金用高壓壓鑄模具在使用中，之所以會(huì)產(chǎn)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(nèi)凝固過(guò)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(qiáng)材料的耐熱疲勞性能。
圖 3 新材料在600攝氏度高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫的硬度下降對(duì)比曲線
6、材料的韌性：
QDX-HARMOTEX®材料的板材按北美壓鑄學(xué)會(huì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在材料的心部取材制作沖擊試驗(yàn)樣品。在材料最弱的厚度的橫向做沖擊試驗(yàn)，材料的硬度是44－46HRC。試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)整體開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)也能夠提高材料的耐熱疲勞性能。
圖4 新材料的韌性與H 13材料的對(duì)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(xì)小均勻組織良好。
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?？梢钥闯?，材料在高放大倍數(shù)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(lèi)材料的韌性。在使用中，龜裂紋的擴(kuò)展會(huì)沿著晶界的碳化物逐步擴(kuò)展使得材料耐龜裂紋性能下降裂紋擴(kuò)展加速。
圖 6 QDX-HARMOTEX®材料的淬火－回火掃描電鏡組織 X2000
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(xù)冷卻曲線：
QDX-HARMOTEX®材料的CCT連續(xù)冷卻曲線如圖8 所示。新材料的珠光體區(qū)較H13 材料向右側(cè)移動(dòng)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?yàn)榇蟪叽缒＞卟牧显跓崽幚泶慊饡r(shí)心部的冷卻速度會(huì)急劇降低。當(dāng)模具的心部冷卻速度緩慢下來(lái)后，極有可能最終組織跨過(guò)CCT曲線的珠光體區(qū)例如H13材料。這時(shí)由于珠光體組織的形成，即使模具材料的最終硬度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是材料的韌性會(huì)急劇下降。對(duì)于壓鑄用模具材料，一旦有珠光體形成材料的沖擊韌性會(huì)下降到10焦耳（V－型）以下，模具有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。NADCA要求材料熱處理后的沖擊韌性應(yīng)當(dāng)高于11焦耳（V－型）。所以，新材料的CCT曲線珠光體區(qū)的右移會(huì)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。
圖 8 QDX-HARMOTEX®材料的CCT曲線
9 耐龜裂紋性能的測(cè)試：
耐龜裂紋試驗(yàn)是采用直徑40毫米直徑的圓棒在固定速度下旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)加熱到600攝氏度后保溫5秒然后水冷50秒，反復(fù)循環(huán)1000次后觀察材料表面裂紋的深度與裂紋的數(shù)量。 QDX-HARMOTEX®材料比H13材料的裂紋深度明顯小，而且裂紋的數(shù)量也少，如圖9所示。
圖9 QDX-HARMOTEX®材料與H13材料耐龜裂紋性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
二、壓鑄模具的真空熱處理技術(shù)
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(nèi)。模具預(yù)留熱電偶插孔，心部表面都需要有插孔。實(shí)際熱處理過(guò)程的溫度與實(shí)際控制是按照表面與心部的熱電偶給出的數(shù)據(jù)具體執(zhí)行。典型的真空熱處理示意圖由圖11給出，其包括兩步預(yù)熱，奧氏體化，高壓氣體壓力淬火，回火等步驟。
圖10 模具裝載照片，表面與心部的熱電偶。
圖11 典型的模具真空熱處理工藝示意圖
2. 模具的預(yù)熱：
模具在熱處理過(guò)程中，需要有兩步預(yù)熱。通常第一步預(yù)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(yù)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(lái)的熱應(yīng)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(shí)進(jìn)行。
模具的第二步預(yù)熱是在800－850度之間，保溫后使得模具表面與心部盡量達(dá)到一致。這個(gè)溫度區(qū)間，模具的退火態(tài)組織的珠光體部分轉(zhuǎn)變成高溫的奧氏體。
奧氏體化溫度通常采用1010－1050之間，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可以選擇高溫段。這樣模具材料的合金元素會(huì)比較完全的擴(kuò)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(shí)間需要嚴(yán)格的按照北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）的技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行：在心部熱電偶達(dá)到設(shè)定溫度（<15度）記錄保溫時(shí)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。
圖12 模具真空熱處理高溫段保溫曲線。
3、 模具的淬火：
氮?dú)獯慊饓毫νǔＪ褂?－10個(gè)巴的壓力。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500－3000RPM。按照北美壓鑄學(xué)會(huì)（NADCA）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在淬火溫度到540度之間需要絕對(duì)冷卻速度達(dá)到28度／分鐘。但是對(duì)于大型模具，重量在800公斤以上時(shí)，實(shí)際模具表面冷卻速度只有22度／分鐘[8] 。對(duì)于高韌性模具材料QDX-Harmotex® 在這個(gè)冷速下，模具的表面韌性可以達(dá)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(yàn)照片。
圖13所示是大型模塊材料280x500X830毫米的熱處理試驗(yàn)照片
對(duì)于大型模具在Ms點(diǎn)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(qiáng)度提高而心部仍然是奧氏體組織。當(dāng)心部開(kāi)始轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，模具材料的體積膨脹，形成內(nèi)部應(yīng)力。緩慢冷卻可以避免模具在冷卻過(guò)程中的開(kāi)裂。當(dāng)模具表面冷卻到50－度時(shí)，熱處理模具從真空設(shè)備中取出。立即回火[8] 。
4、 模具的回火：
壓鑄模具的回火至關(guān)重要?，F(xiàn)在常見(jiàn)的問(wèn)題是回火保溫時(shí)間不足，導(dǎo)致模具產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力在回火后得到釋放。回火的保溫時(shí)間通常按照模具的有效厚度計(jì)算。每25毫米的厚度保溫2小時(shí)。
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(qū)回火，通常在550度。第一次回火后，模具需要風(fēng)冷。這樣，模具內(nèi)部的殘余奧氏體在冷卻過(guò)程中可以轉(zhuǎn)變成新生的馬氏體組織。其在第二次回火時(shí)，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(shí)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(guò)使用較低的回火溫度但是延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)得到硬度[9]。較低溫度較長(zhǎng)時(shí)間保溫回火，得到的模具硬度有兩點(diǎn)好處：一個(gè)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(xì)小[10] [11] [12] 。
第三次回火的目的主要是去應(yīng)力。模具尤其是大型模具在熱處理后，由于組織的轉(zhuǎn)變以及熱應(yīng)力的交互作用產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力需要消除。通過(guò)高溫回火，可以降低材料內(nèi)部應(yīng)力。避免模具在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題[13]。對(duì)于大型模具，有必要進(jìn)行更多次的高溫回火來(lái)降低模具內(nèi)部應(yīng)力。
三．QDX-HARMOTEX®模具材料實(shí)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(yè)的發(fā)展，鋁合金基站殼體被廣泛的使用在通訊行業(yè)如：4G， 5G。這些產(chǎn)品是由高壓壓鑄工藝制造的。由于是外觀產(chǎn)品，相應(yīng)的對(duì)模具耐早期裂紋性能要求嚴(yán)格。QDX-HARMOTEX®模具材料在壓鑄通訊基站鋁合金產(chǎn)品方面，有良好的壽命表現(xiàn)。
圖13 b, c是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具以及真空壓鑄模具。在汽車(chē)壓鑄產(chǎn)品領(lǐng)域QDX-HARMOTEX®材料的使用壽命較同類(lèi)模具材料具有更長(zhǎng)的模具使用壽命。
結(jié)論：
日本山陽(yáng)特鋼研發(fā)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(diǎn)。新材料在純凈度，顯微組織等諸多性能方面達(dá)到了NADCA的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)C類(lèi)材料的要求。而且具有更加優(yōu)良的耐高溫回火性能，抗軟化性能，優(yōu)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(yàn)證實(shí)新材料具有優(yōu)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(lái)控制高溫保溫時(shí)間。高壓氣體冷卻需要保證在模具不開(kāi)裂的前提下，使用最快的冷卻速度確保良好的組織轉(zhuǎn)變與使用性能?；鼗鸬谋貢r(shí)間要足夠長(zhǎng)，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(chē)鋁合金壓鑄模具應(yīng)用方面有良好的表現(xiàn)。有效的提高了壓鑄模具的使用壽命。
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