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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5CrNiMo、5CrMnMo钢,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钢相比,QRO80M和ORO90Supreme钢含有较低的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HHD钢,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。
HHD钢化学成分(重量百分比)
Table 1 Chemical composition of HHD steel(wt.%)
C |
Cr |
Mo |
Ni |
V |
W |
S |
P |
N、RE、Nb |
0.2~0.35 |
8.0~13.0 |
1.0~2.0 |
0.7~1.3 |
0.4~1.0 |
0.3~1.0 |
0.002 |
0.012 |
微量 |
HHD钢的非金属夹杂物等级
Table 2 Degree of Inclusion in HHD 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 |
HHD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9.5级
HHD钢的力学性能
Table 3 Mechanical properties of HHD 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 |
- |
- |
- |
- |
|