新型熱沖壓模具鋼鍛造模塊熱處理工藝及熱導率研究

馬 野，王 琳，劉寶石，燕 云

撫順特殊鋼股份有限公司技術中心（遼寧撫順 113000）

1 引言

隨著汽車行業的高速發展，汽車輕量化和安全性的要求不斷提高。超高強度鋼板在汽車制造上的應用越來越廣泛，其已經成為減輕車身重量和提高車身碰撞強度及安全性的重要途徑。這些高強度鋼板主要使用熱沖壓加工方法成形，制造成汽車零部件，熱沖壓成形技術是指將汽車用鋼板經過900℃～950℃的奧氏體化加熱之后，快速移動到熱沖壓模具內，快速沖壓成形，在壓機保壓狀態下通過布置有冷卻水道的模具對零件淬火冷卻（并要保證一定的冷卻速度），使鋼板組織轉變為均勻的淬火馬氏體，鋼板強度增加到1,500MPa左右甚至更高，從而提高鋼板強度的先進工藝。

熱沖壓成形技術工況復雜，熱沖壓模具是熱沖壓成形工藝的核心技術，在熱沖壓過程中，鋼板的成形和冷卻淬火都是在熱沖壓模具內完成，模具的失效模式主要有長期沖壓產生的磨損以及反復冷熱應力作用下產生疲勞導致的失效。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，熱沖壓加工時，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力疲勞，熱沖壓模具在整個生產周期中，承受著25℃～900℃的溫度變化熱應力，而且一般情況下，每分鐘進行熱沖壓成形2～7個沖壓件，因此，熱沖壓模具承受的溫度變化和速度變化較高。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

試驗用鋼采用真空精煉＋電渣方式冶煉，化學成分設計如表1所示。試驗材料模鑄成3t電渣錠，采用3,500t快鍛機鍛造成材200×600mm扁鋼。

表1 試驗鋼的化學成分

2.2 試驗方法

試驗用鋼退火工藝是在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行熱導率檢驗，利用激光導熱儀和紅外檢測器進行分析。試樣經不同溫度下淬、回火處理后的硬度，利用洛氏硬度計進行測定。

3 試驗結果與分析

3.1 化學成分

試驗鋼合金成分如表1所示。從表1可以看出，試驗鋼材合金元素Si、Mn、Cr含量較低，主要合金元素為Ni、W、Mo，一般來說，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率的化學元素，發現隨著Si、Mn、Cr元素的增加熱導率降低，特別是Si元素顯著降低熱導率。從本實驗鋼材化學成分設計可以看出，設計的化學成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導率。

3.2 熱處理工藝

熱處理工藝對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量的合金碳化物溶解于奧氏體組織中，淬火后可得到較細的組織。本文試驗鋼淬火選擇在960℃～1,100℃溫度區間，在8個溫度下進行油淬試驗（每20℃為一間隔），淬火后的硬度變化趨勢如圖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，繼續提高淬火溫度硬度急劇下降，1,100℃時硬度達到最低48.0HRC，對淬火的試樣進行金相組織觀察，分析主要是因為出現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℃時的淬火組織，細小的馬氏體組織與殘余奧氏體，而在1,100℃時（見圖2）為粗大的板條馬氏體組織，這種粗大的馬氏體組織會降低材料的強度，增大材料的脆性，硬度也會隨之降低，影響材料的使用性能。結合圖1、圖2、圖3及上述分析，可得到試驗鋼的最佳淬火溫度為1,060℃。

圖1 試驗鋼淬火硬度曲線

圖2 試驗鋼淬火金相組織1,100℃

圖3 試驗鋼淬火金相組織1,060℃

為使鋼材獲得良好的綜合性能和穩定的組織，一般淬火后鋼材需經過兩次到3次的回火熱處理，形成穩定的回火組織和硬度，提高鋼材的性能。本文試驗鋼采用1,060℃淬火后，選取在200℃～650℃溫度范圍內進行回火，考察試驗鋼在此溫度區間的硬度變化情況，如圖4所示。

圖4 試驗鋼回火硬度曲線1,060℃

試驗鋼在200℃回火時硬度達到50HRC，隨溫度的升高試驗鋼在580℃回火時硬度達到51.5HRC，隨溫度的繼續升高回火硬度呈現緩慢下降趨勢，在600℃開始硬度下降速度明顯增加，最后達到650℃時硬度值為38HRC。有人認為，在500℃～600℃回火時因納米間隙相M2C和MC碳化物析出，提高了回火馬氏體的硬度而出現二次硬化現象；還有一種原因是回火時殘余奧氏體向馬氏體轉變，使硬度提高。但是從本試驗鋼的硬度曲線上看到，并沒有出現明顯的二次硬化峰值，這種現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致回火軟化減弱。至于本試驗鋼未出現二次硬化現象的根本原因還需進一步研究。圖5、圖6、圖7分別為400℃、600℃和650℃回火金相組織。根據金相組織觀察，400℃時可觀察到一定數量的細小滲碳體，為回火屈氏體組織，500℃和600℃為馬氏體組織，650℃的回火組織中可見大量的粒狀珠光體，該組織會降低硬度，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 試驗鋼回火金相組織400℃

圖6 試驗鋼回火金相組織600℃

圖7 試驗鋼回火金相組織650℃

3.3 熱導率

目前通用的合金材料熱導率（λ）計算公式為：

λ＝αρCp

式中 α——熱擴散率

ρ——密度

Cp——比熱容

可知只要測得α、ρ、Cp隨溫度變化的具體數值，就可以得到模具材料的熱導率隨溫度的變化關系，熱沖壓模具市場使用最多的是H13鋼。本實驗材料與H13鋼熱導率經過測試，進行對比結果如圖8所示，從圖8中的測試結果可以看出，實驗鋼在室溫時熱導率達到49W/（m·K），隨溫度的升高熱導率緩慢降低，試驗鋼在600℃時熱導率為41W/（m·K），在400℃～600℃時變化趨于平穩，H13鋼在室溫時熱導率24W/（m·K），隨溫度的升高熱導率提高，試驗鋼在600℃時熱導率28W/（m·K），在400℃～600℃時變化趨于平穩，通過試驗對比，試驗鋼材比目前市場使用的H13鋼熱導率提高30%以上。

圖8 試驗鋼和H13鋼的熱導率對比曲線

4 結論

（1）根據化學成分對鋼材耐磨性和熱導率影響的經驗，降低試驗鋼材的Si、Mn、Cr合金元素，提高Ni、W、Mo合金元素，設計的化學成分有利于提高鋼材的耐磨性和熱導率。

（2）通過熱處理試驗及金相觀察分析，得到試驗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、回火溫度下進行的試驗鋼材，可以得到該試驗鋼材在模具應用上的硬度和組織。

（3）通過熱導率的試驗測試分析，試驗鋼熱導率達到41～49W/（m·K），通過試驗對比，試驗鋼材比目前市場使用的H13鋼熱導率提高30%以上。