新型熱沖壓模具鋼鍛造模塊熱處理工藝及熱導(dǎo)率研究

馬 野，王 琳，劉寶石，燕 云

撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心（遼寧撫順 113000）

1 引言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化和安全性的要求不斷提高。超高強(qiáng)度鋼板在汽車制造上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其已經(jīng)成為減輕車身重量和提高車身碰撞強(qiáng)度及安全性的重要途徑。這些高強(qiáng)度鋼板主要使用熱沖壓加工方法成形，制造成汽車零部件，熱沖壓成形技術(shù)是指將汽車用鋼板經(jīng)過(guò)900℃～950℃的奧氏體化加熱之后，快速移動(dòng)到熱沖壓模具內(nèi)，快速?zèng)_壓成形，在壓機(jī)保壓狀態(tài)下通過(guò)布置有冷卻水道的模具對(duì)零件淬火冷卻（并要保證一定的冷卻速度），使鋼板組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻拇慊瘃R氏體，鋼板強(qiáng)度增加到1,500MPa左右甚至更高，從而提高鋼板強(qiáng)度的先進(jìn)工藝。

熱沖壓成形技術(shù)工況復(fù)雜，熱沖壓模具是熱沖壓成形工藝的核心技術(shù)，在熱沖壓過(guò)程中，鋼板的成形和冷卻淬火都是在熱沖壓模具內(nèi)完成，模具的失效模式主要有長(zhǎng)期沖壓產(chǎn)生的磨損以及反復(fù)冷熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞導(dǎo)致的失效。在影響模具使用壽命的諸多因素中，磨損是最重要的因素之一，其主要與模具硬度有關(guān)，熱沖壓加工時(shí)，將鋼板加熱到高溫，由于氧化鐵皮和鍍層鋼板的凝著，使模具發(fā)生磨損，提高硬度可以提高模具的耐磨性。另一重要因素是熱應(yīng)力疲勞，熱沖壓模具在整個(gè)生產(chǎn)周期中，承受著25℃～900℃的溫度變化熱應(yīng)力，而且一般情況下，每分鐘進(jìn)行熱沖壓成形2～7個(gè)沖壓件，因此，熱沖壓模具承受的溫度變化和速度變化較高。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼采用真空精煉＋電渣方式冶煉，化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)材料模鑄成3t電渣錠，采用3,500t快鍛機(jī)鍛造成材200×600mm扁鋼。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼退火工藝是在850℃～860℃保溫，保溫后緩慢降溫后退火出爐，試樣取于扁材橫截面上。

試樣的化學(xué)成分利用光譜儀分析。試樣的淬、回火組織利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察和分析，金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕。在鋼材橫截面取試樣進(jìn)行熱導(dǎo)率檢驗(yàn)，利用激光導(dǎo)熱儀和紅外檢測(cè)器進(jìn)行分析。試樣經(jīng)不同溫度下淬、回火處理后的硬度，利用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)鋼合金成分如表1所示。從表1可以看出，試驗(yàn)鋼材合金元素Si、Mn、Cr含量較低，主要合金元素為Ni、W、Mo，一般來(lái)說(shuō)，鋼的耐磨性隨鋼的硬度增加而升高，鋼中添加W、Mo等碳化物生成元素，形成M7C3、M6C、MC等硬質(zhì)碳化物，可提高鋼材的硬度和耐磨性。日本研究人員研究了影響熱導(dǎo)率的化學(xué)元素，發(fā)現(xiàn)隨著Si、Mn、Cr元素的增加熱導(dǎo)率降低，特別是Si元素顯著降低熱導(dǎo)率。從本實(shí)驗(yàn)鋼材化學(xué)成分設(shè)計(jì)可以看出，設(shè)計(jì)的化學(xué)成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導(dǎo)率。

3.2 熱處理工藝

熱處理工藝對(duì)鋼材的硬度和組織具有很重要的意義，淬火熱處理是使退火組織中一定數(shù)量的合金碳化物溶解于奧氏體組織中，淬火后可得到較細(xì)的組織。本文試驗(yàn)鋼淬火選擇在960℃～1,100℃溫度區(qū)間，在8個(gè)溫度下進(jìn)行油淬試驗(yàn)（每20℃為一間隔），淬火后的硬度變化趨勢(shì)如圖1所示。

從圖1中觀察可得到，在960℃～1,060℃溫度之間，隨溫度的升高硬度從46.6HRC提高到50.3HRC，繼續(xù)提高淬火溫度硬度急劇下降，1,100℃時(shí)硬度達(dá)到最低48.0HRC，對(duì)淬火的試樣進(jìn)行金相組織觀察，分析主要是因?yàn)槌霈F(xiàn)較大的板條馬氏體造成的，如圖2所示，脆性增加。從金相組織照片中可看到，圖3為1,060℃時(shí)的淬火組織，細(xì)小的馬氏體組織與殘余奧氏體，而在1,100℃時(shí)（見(jiàn)圖2）為粗大的板條馬氏體組織，這種粗大的馬氏體組織會(huì)降低材料的強(qiáng)度，增大材料的脆性，硬度也會(huì)隨之降低，影響材料的使用性能。結(jié)合圖1、圖2、圖3及上述分析，可得到試驗(yàn)鋼的最佳淬火溫度為1,060℃。

圖1 試驗(yàn)鋼淬火硬度曲線

圖2 試驗(yàn)鋼淬火金相組織1,100℃

圖3 試驗(yàn)鋼淬火金相組織1,060℃

為使鋼材獲得良好的綜合性能和穩(wěn)定的組織，一般淬火后鋼材需經(jīng)過(guò)兩次到3次的回火熱處理，形成穩(wěn)定的回火組織和硬度，提高鋼材的性能。本文試驗(yàn)鋼采用1,060℃淬火后，選取在200℃～650℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火，考察試驗(yàn)鋼在此溫度區(qū)間的硬度變化情況，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)鋼回火硬度曲線1,060℃

試驗(yàn)鋼在200℃回火時(shí)硬度達(dá)到50HRC，隨溫度的升高試驗(yàn)鋼在580℃回火時(shí)硬度達(dá)到51.5HRC，隨溫度的繼續(xù)升高回火硬度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，在600℃開始硬度下降速度明顯增加，最后達(dá)到650℃時(shí)硬度值為38HRC。有人認(rèn)為，在500℃～600℃回火時(shí)因納米間隙相M2C和MC碳化物析出，提高了回火馬氏體的硬度而出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象；還有一種原因是回火時(shí)殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，使硬度提高。但是從本試驗(yàn)鋼的硬度曲線上看到，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的二次硬化峰值，這種現(xiàn)象有人解釋為馬氏體回火硬度隨溫度變化，由合金滲碳體抗粗化能力的提高而導(dǎo)致回火軟化減弱。至于本試驗(yàn)鋼未出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象的根本原因還需進(jìn)一步研究。圖5、圖6、圖7分別為400℃、600℃和650℃回火金相組織。根據(jù)金相組織觀察，400℃時(shí)可觀察到一定數(shù)量的細(xì)小滲碳體，為回火屈氏體組織，500℃和600℃為馬氏體組織，650℃的回火組織中可見(jiàn)大量的粒狀珠光體，該組織會(huì)降低硬度，回火硬度迅速降低到38HRC，所以該鋼建議的回火溫度為500℃～600℃。

圖5 試驗(yàn)鋼回火金相組織400℃

圖6 試驗(yàn)鋼回火金相組織600℃

圖7 試驗(yàn)鋼回火金相組織650℃

3.3 熱導(dǎo)率

目前通用的合金材料熱導(dǎo)率（λ）計(jì)算公式為：

λ＝αρCp

式中 α——熱擴(kuò)散率

ρ——密度

Cp——比熱容

可知只要測(cè)得α、ρ、Cp隨溫度變化的具體數(shù)值，就可以得到模具材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，熱沖壓模具市場(chǎng)使用最多的是H13鋼。本實(shí)驗(yàn)材料與H13鋼熱導(dǎo)率經(jīng)過(guò)測(cè)試，進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如圖8所示，從圖8中的測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)鋼在室溫時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到49W/（m·K），隨溫度的升高熱導(dǎo)率緩慢降低，試驗(yàn)鋼在600℃時(shí)熱導(dǎo)率為41W/（m·K），在400℃～600℃時(shí)變化趨于平穩(wěn)，H13鋼在室溫時(shí)熱導(dǎo)率24W/（m·K），隨溫度的升高熱導(dǎo)率提高，試驗(yàn)鋼在600℃時(shí)熱導(dǎo)率28W/（m·K），在400℃～600℃時(shí)變化趨于平穩(wěn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)鋼材比目前市場(chǎng)使用的H13鋼熱導(dǎo)率提高30%以上。

圖8 試驗(yàn)鋼和H13鋼的熱導(dǎo)率對(duì)比曲線

4 結(jié)論

（1）根據(jù)化學(xué)成分對(duì)鋼材耐磨性和熱導(dǎo)率影響的經(jīng)驗(yàn)，降低試驗(yàn)鋼材的Si、Mn、Cr合金元素，提高Ni、W、Mo合金元素，設(shè)計(jì)的化學(xué)成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導(dǎo)率。

（2）通過(guò)熱處理試驗(yàn)及金相觀察分析，得到試驗(yàn)鋼材的最佳淬火溫度為1,060℃，最佳回火溫度為500℃～600℃。在以上淬、回火溫度下進(jìn)行的試驗(yàn)鋼材，可以得到該試驗(yàn)鋼材在模具應(yīng)用上的硬度和組織。

（3）通過(guò)熱導(dǎo)率的試驗(yàn)測(cè)試分析，試驗(yàn)鋼熱導(dǎo)率達(dá)到41～49W/（m·K），通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)鋼材比目前市場(chǎng)使用的H13鋼熱導(dǎo)率提高30%以上。