热作模具钢中几个知识点的浅谈

上海大学2010 ～2011学年冬季学期研究生课程考试

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课程名称：现代模具材料及其表面处理技术课程编号：101101921论文题目: 热作模具钢中几个知识点的浅谈

研究生姓名: 尹学号: 10721

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热作模具钢中几个知识点的浅谈

尹学炜

上海大学材料科学与工程学院，上海

摘要：通过这门文献课，在自己动手翻译文献、做PPT和演讲，以及同学的演讲，课堂上的讨论，特别是老师的点评，使得作者对模具钢材料的各方面，如成分的影响机制、热处理、表面处理等有了更为深入的了解，对一些研究方法、测试手段有了一定的认识。本文中，作者主要侧重热作模具钢方面，介绍了合金元素对热作模具钢的影响，以及热作模具钢中碳化物的影响、热疲劳性能和热稳定性性能的相关研究。

关键词：H13钢；热作模具钢；热疲劳；热稳定性

The description of several knowledge

points on hot die steel

Yin Xuewei

（School of Material Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai）Abstract：Through this literature course, by translated literature my own, prepare PPT and give lectures, and after listen to other students presentations, class discussions, especially after the teacher's comments ,I have a more in-depth understanding on the hot die steel, such as composition, heat treatment, surface treatment as well as some research methods, testing methods. In this paper, the authors focus on hot die steel, make the introduction of alloy elements on the impact of hot work die steel, and the impact of carbide, thermal fatigue properties and thermal stability properties of the related research on hot die steel.

Keywords：H13 steel；hot die steel；thermal fatigue；Thermal-stability

一、引言

1.1热作模具钢

热作模具是指对加热到再结晶温度以上的金属材料进行压力加工的模具。

根据工作条件，热作模具可分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。

按所含合金元素总量，可分为低合金热作模具钢、中合金热作模具钢及高合金热作模具钢。

根据模具钢的性能特点，又可分为以下几类。

（1）高韧度热作模具钢。有5CrMnMo、5CrNiMo及H11钢等，适宜制作一般的锻造模具，如锤锻模。

（2）高热强性热作模具钢。有3Cr2W8V、GR、Y4、HM1钢等。适宜制作热挤压模、压铸模。

（3）强韧性兼备的热作模具钢。有H13、HM3、4Cr5W2SiV及基体钢012Al、ER8钢等，适宜制作热锻模、热挤压模、热冲压模等。

此外，按照合金元素还可以分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系

热作模具钢和铬钨钼系热作模具钢等。

1.2热作模具钢工作条件及其对性能的要求

热作模具在工作中既受力的作用，又受温度的作用，从而使模具的工作条件复杂化，对模具材料的要求也较高。

（1）在室温及工作温度下具有能满足服役条件的力学性能，如较高的高温强度和硬度、良好的韧性和耐磨性等。

（2）在工作时应具有良好导热性、优良的耐热疲劳性、高的热稳定性，以及较好的抗氧化性能。

（3）模具材料应具有较好的热磨损性和热熔损性。

（4）具有良好的加工工艺性能（包括可加工性、热处理、工艺性、锻造性等）。

总之，热作模具钢的选择应根据模具的生产条件和工作条件的需要，结合模具的基本性能和相关因素综合考虑。

下面根据我个人在文献阅读课上经老师或同学讲解了解到的，以及自己在查阅、翻译文献和做PPT中遇并通过各种途径解决的问题展开论述。

二、合金元素

文献课上，讲得最多的为H13钢。根据老师讲解以及查相关资料。H13钢是美国AIS/SAE标准钢材牌号，属于热作模具钢，其化学成分见表1。

表1 H13钢的化学成分(wt％）

table 1 Chemical composition of H13 steel (wt%)

C Si Mn Cr Mo V W

0.32~0.45 0.80~1.2 0.25~0.5 4.75~5.50 1.1~1.75 0.8~1.2 -

H13相当于国产钢4Cr5MoSiV1钢，根据碳化物形成元素进行分类，H13钢属于铬钼类钢。

为了提高H13热作模具钢的性能，研究人员通过调整优化合金成分来到达目的，当前H13钢成分优化改进的两种趋势：（1）低Si高Mo的合金优化途径；（2）加入Nb微合金化的方法，Nb的适量加入（0.07%）可以起到细化晶粒、提高热稳定性、热疲劳性能的作用。

潘晓华等[1]指出到，Si 的固溶使铁素体基体的点阵常数变小，使点阵常数缩小的固溶合金元素具有较有效的强化作用。Si也为提高回火抗力的有效元素。Si也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。另外，Si虽然不推迟ε碳化物的生成，但它可固溶于ε碳化物，并提高其稳定性，延迟ε→θ转变。另外，Si易使钢呈现带状组织，使钢的横向性能比纵向性能差，也使钢的脆性转折温度升高；Si 还具有促进钢的脱碳敏感性；但Si有利于高温抗氧化性的提高。

另外，潘晓华等还在文中分析了碳、铬、锰、钼、钒在H13钢中的存在形式和作用。

对于Nb 元素在热作模具钢中的研究，上海大学陈英伟、吴晓春等人，在在H13 钢的基础上采用了降Si 增Mo 降V 的合金化思路进行了合金成分调整，同时加入了适量的Nb 元素，设计出的新钢种SDH8Nb 钢。上海大学吴晓春等[2]对SDH8Nb 钢的淬回火组织中进行了3DAP 的分析，发现C、Cr、Mo、V 合金元素都发生了偏聚，而唯独Nb 没有聚集，较均匀的分布在基体中，这说明

SDH8Nb 钢在淬回火状态下Nb 元素并没有形成碳化物而是固溶于基体中。使钢的基体内存在更多的稳定相强化质点，这些稳定相强化质点能够有效的钉扎位错，阻止位错的运动，从而使基体的变形抗力增加，起到了强化作用，有效提高了SDH8Nb 钢的热稳定性。

此外，国内外一些作者也在研究含稀土元素的热作模具钢中。郝新等[3]研究加入不同含量稀土La 对3Cr2W8V 热作模具钢的组织、强度、硬度、冲击韧性和塑性的影响。结果表明, 稀土La 加入量在适当的范围内可使组织得到明显细化, 强度、冲击韧性和塑性有显著提高而硬度无明显变化, 当稀土La 加入量为0.20% 时，3Cr2W8V 钢可获得最好的综合机械性能。吴强等[4]研究了添加5 种不同含量铈( Ce) 的45Cr2NiMoVSi 热作模具钢的组织及耐磨性，通过分析组织、磨痕形貌以及平均磨损率的变化情况，与不添加Ce 的45Cr2NiMoVSi 钢进行对比。指出Ce 添加量在适当的范围内45Cr2NiMoVSi 钢组织得到显著细化，平均磨损率有明显下降，磨痕形貌也比较细而浅，耐磨性得到有效提高。

三、热疲劳及热稳定性

热疲劳是热作模具特别是压铸模和精密热锻模的主要失效形式之一。工作时，由于模具型腔表面存在较大的温度梯度层和急冷急热的作用，使模具表面产生较大的热应力。当温度反复变化时这种热应力也反复变化，加之模具工作时承受机械载荷，当其应力值超过材料屈服强度时，则在模具表面产生网状或放射状的疲劳裂纹；当材料的抗氧化性较差时，会加速热疲劳裂纹的萌生与扩展，并伴随产生热磨损，特别当外载荷较大时，如疲劳裂纹扩展到一定程度且达到某一临界尺寸，则发生机械疲劳断裂。因此，热疲劳性能就是指模具钢在反复加热和冷却中对产生表面裂纹的一种抗力，它是材料高温韧性、高温屈服强度和抗回火稳定性的综合函数。

3.1热疲劳的影响因素

1）模具材料的物理性能

模具钢的传热系数及膨胀系数对热应力的关系式：

σ=Ea/(1-μ)*Δt式中σ-热应力；E-弹性模量；μ-泊松比；a-热膨胀系数由此可见，热作模具钢应具有尽可能大的传热系数，尽可能小的热膨胀系数。当增加碳和合金元素的含量均可减少传热系数，使温度梯度增大。

2)材料的高温屈服强度

通常，热疲劳裂纹的萌生是表面层材料在循环热应力作用下，周期性地发生塑性变形的结果。因此，提高模具材料的高温屈服强度及塑性，有助于延迟热疲劳裂纹的萌生与扩展。

有关人员采用uddeholm试验方法对模具钢的机械性能与热疲劳抗力之间的关系进行了研究。结果指出，当热疲劳试验温度较高时，材料热疲劳抗力主要决定于高温屈服强度，即σT0.2值愈大，热疲劳抗力也愈大。但当热疲劳试验的上限温度较低时，则其热疲劳抗力主要取决于高温冲击功(AkT)，其次是高温屈服强度。此外，材料的热稳定性能和抗高温氧比能力对热疲劳抗力亦有直接的影响，热稳性越低、抗氧化能力越差，则会加速疲劳裂纹的萌生与发展。

3.2热疲劳性能的评定

采用uddeholm的评级标准。热疲劳评级标准包括A、B标准，其中A标准为网状裂纹，从网状完整程度、密度及裂纹大小综合评级，共为十级，级别越高表明材料的热疲劳性能越差。B标准为主裂纹，按主裂纹尺寸、数量综合评级，也分为十级，热疲劳越严重级别越高。材料热疲劳级别是A、B标准级别之和．即A十B，然后与标准图谱对比。

由于评定方式是图片的人工对照，因此结果不精确，人为误差也很大。此外，虽然现在也有研究者用材料热疲劳后裂纹深度、面积、宽度和长度等来评定热疲劳性能的好坏，但是由于没有考虑裂纹的形态、分布情况等因素,因此存在着一定的争议。为了实现对热疲劳损伤程度的定量化评定。

上海大学吴晓春等[5]人基于Uddeholm热疲劳裂纹评价标准，采用先进的计算机辅助评价系统对热疲劳后试样的表面裂纹及深度裂纹形貌进行分析处理，通过测定裂纹的总面积及在试样表面所占的百分数（A%）、最宽主裂纹的宽度（W max）和热疲劳裂纹的总长度(L)，定义表面损伤因子Ds=A×W/L；通过测定横截面上裂纹的面积（P%）、最深裂纹的深度（d max）及5条主裂纹的平均深度（d5A，称为5强平均深度），定义裂纹深度损伤因子Dd＝P×d max / d5A。以D=Ds×Dd 表示总的热疲劳损伤因子，D值越大表示热疲劳损伤程度越大。损伤因子评定法综合反映了试样表面和深度两个方向的裂纹扩展情况，并借助计算机图像处理功能，减少人为因素的干扰，较为客观的反映了热疲劳损伤程度。

3.3热稳定性

热稳定性是热作模具钢的主要性能之一，它反映了模具钢在高的工作温度下抗软化的能力，关系到钢的高温硬度、高温强度和热疲劳抗力等性能指标。因此，材料的热稳定性是不同使用温度下热作模具选材的一个重要依据。热稳定性试验是通过不同的加热温度，找出温度与保持时间及硬度的对应关系，从而评定各种材料的热稳定性差异。

热作模具钢在回火过程，因碳化物的沉淀析出，参与奥氏体的分解会产生二次硬化，随后，由于碳化物的球化，硬度迅速下降。回火过程的行为、组织的变化，是以回火温度和时间为函数的扩散过程。不同的合金元素，如W、Mo、V 等，其合适的含量可使马氏体基体中析出了较多的碳化物，这些合金元素能强烈阻碍碳化物的聚集长大以及延缓钢的回复和再结晶，因而能有效地提高钢的热稳定性。

上海交通大学王小军等[6]通过TEM显微组织来对比、分析QRO90钢具有比H13钢更佳回火稳定性的原因。文中通过采用1050℃油淬、650℃x2h回火的相同处理后发现钢中由于QRO90钢中马氏体分解及残余奥氏体转变的推迟尚存在高位错密度的马氏体板条及条间残余奥氏体在马氏体板条内有很多弥散、细小的MC及M2C合金碳化物分布在位错线区内，正是这种组织赋予了QRO90钢更佳的回火稳定性。

四、二次硬化和碳化物

4.1 二次硬化

一般认为二次硬化峰是由于合金碳化物的弥散析出以及奥氏体分解造成的。

刘宗昌等[7]在一文中曾认为，H13在400～520℃之间回火没有发现Cr、Mo 等合金碳化物相的析出。其二次硬化可能是由Mo、Cr和C原子组成的复合偏聚

区引起的。

4.2 碳化物

1）碳化物的萃取

结合文献课中的知识，正好也在课题组学长的带领下做了碳化物的萃取和分析实验。配备电解液：3%FeSO4+1%NaCl+1%酒石酸，其余为蒸馏水。试样尺寸为Ф10×80mm，机加工后打砂轮去掉表层氧化皮，需磨光洁。试样一头做一凹槽用于悬挂，另一头做成圆锥形，尽量使过渡平缓，用丙酮及超声波清洗干净吹干后称重。半透膜的制备过程如下：在玻璃筒内注入约50ml胶棉液，边转动边倒出多余的胶液，放平转动，干后再加胶棉液，如此重复三次，风干后取出半透膜，装上腊线。试样用铜丝系住悬挂于半透膜内。电解时，试样做阳极，铜片为阴极，电源为恒流直流电源：0～3A，0～30V。浸没在水中，3－5小时后使用，试样的电流密度为0.025A/cm2，连续电解。使用孔径为50nm的聚碳酸脂膜配合一套真空过滤设备进行过滤电解得到的碳化物，再进行烘干，称重。

2）碳化物的分析

可以用X射线衍射仪对电解法萃取得到的碳化物粉末进行物相分析，利用JADE5.0软件确定出该钢种碳化物的具体组分。或者，取试样进行电解双喷制得电镜薄片，在TEM下对碳化物进行观察。

德国的P.A. Silva等人[8]通过SEM和计算机模拟，分析了M6C、MC不同碳化物的形成对两种不同的PM工具钢涂层热挤出1.2714钢棒的性能的影响。

上海大学宋雯雯，闵永安，吴晓春等[9]人的研究，对H13钢电渣锭、锻后退火及淬回火三个不同状态下的碳化物进行分析，研究了H13钢中碳化物的演变规律。通过TEM和XRD对不同类型的碳化物，如富Cr的M23C6型、M7C3型碳化物和V8C7,以及Fe3Mo3C和V2C等做了较为详尽的分析。

五、结论

1、由于热作模具钢的工作条件较为苛刻，对其性能要求也比较特殊。特别是高温性能，如热疲劳性能，高温抗压性能，抗回火性能等。

2、H13钢是目前最为广泛应用的热作模具钢，但也有不足，国内外对其进行了大量的改进性研究。文中例举了Si、Mo、Cr、Ni以及一些稀土元素的添加对其性能的影响。

3、热作模具钢中热疲劳性能、热稳定性能以及碳化物的研究，特别是碳化物的微观机理有待深入研究。

参考文献

[1]潘晓华,朱祖昌.H13 热作模具钢的化学成分及其改进和发展的研究[J].模具制造,2006(4):78

[2]陈英伟,吴晓春.含铌热作模具钢中碳化物的演变对热稳定性的影响[J].材料热处理学报,2010,(5)

[3]郝新, 郭洪飞, 何智慧.镧对3Cr2W8V 热作模具钢组织和性能的影响[J].有色金属,2008(2)

[4]吴强, 李密文, 袁伟.铈对45Cr2NiMoVSi热作模具钢组织与耐磨性的影响[J].

模具工业,2009(9)

[5]吴晓春,许珞萍.模具钢热疲劳裂纹的计算机辅助评定[J].上海金属, 2001, 23 (6): 1~5

[6]王小军,徐明纲,陈秋龙.热作模具钢QRO90与H13回火稳定性对比研究[J].上海金属,1998(2)

[7]刘宗昌,杜志伟,朱文方,曹东奎.H13钢的回火二次硬化[J].兵器材料科学与工程,2001(3)

[8]P.A. Silva, S. Weber, G. Inden, A.R. Pyzalla.Influence of hard particle addition and chemical interdiffusion on the properties of hot extruded tool steel compounds[J]. Materials Science and Engineering A, (2009) 193–200

[9]宋雯雯,闵永安,吴晓春.H13钢中的碳化物分析及其演变规律[J].热处理学报,2009(5)