新型高性能热作模具钢（HHD钢）的研究与应用 新型高性能热作模具钢（HHD钢）的研究与应用（1.中国第一汽车集团公司，吉林长春130011；2.吉林大学，吉林长春130025) 摘要：新型高CR热作模具钢（海松.CR热加工模具钢.HHD钢）的组织、性能及生产试验。 研究表明，HHD钢具有良好的淬透性，其室温组织为马氏体和大量弥散析出的纳米尺寸细小碳化物，具有优良的综合性能。 室温下，其硬度HRC为46.0-49.0，抗拉强度crb为1800MPa，屈服强度为1300MPa，冲击韧性0k为263.5J/cm2； 600℃时，其硬度HV为498.2，抗拉强度为030MPa，屈服强度为13r。 冲击韧性为920MPa，冲击韧性仅为339.0J/cm2。 HHD钢在800-1150℃温度范围内具有高热塑性，断面收缩率值高于85%。 HHD钢的抗热疲劳性能优于H13钢。 在650-20次热循环条件下，锻造H13钢的热疲劳裂纹扩展长度和宽度分别为I. 51倍和2.87倍。 关键词：机械性能； HHD钢； 热疲劳； 热作模具研究应用新型高—pr oootｽttookngDeetel（HGHDStel） FANCJ an-ru，隋合龙，JlANG Oi-chuan，白建仁 11．中国一汽． 长春130011． 中国吉林； 2. 吉林大学, 长春 130025, 吉林, 吉林) 摘要：对新型高强度聚丙烯热作模具 HHD Isteel 的热疲劳性能进行了研究。 结果表明，HD钢具有良好的硬度nllllpｽxccclnnnnnnnnnannnn HDsteeI凸轮。 提出了大量的纳米碳化物。 在室温下，硬度、拉伸强度 (O＇bl、屈服强度、冲击韧性 I. 分别为 800 MPa、1300 MPa 和 263.5 J/CM2。这些 HHDSTEEI HV498.2、1030 MPa、920 MPa 和 339.0 JICM2。良好800-1150，在热循环温度下，其截面积减少了 85%。 TFMAIN CRANGTH H13Steel 是 HHDSTEL 的 2.87 倍。

---第五届中国国际压铸会议论文集 5CrNiMo和5CrMnMo钢自20世纪30年代初期以来已广泛应用于工业中。 它们是第一代热作模具钢。 由于铬含量低，这两种钢的淬透性较差。 不能满足大断面模具的要求，两种钢材的热强度和热稳定性稍差。 20世纪70年代开始的H系列钢（AISI标准）是世界上用量最大的第二代热作模具钢，以含铬量5%的H11、H12、H13为代表。 此类模具钢具有良好的淬火性能。 由于其渗透性和热强度，可以生产比5CrMnMo和5CrNiMo有更高强度和韧性要求的热锻模具，但不适合压铸高熔点合金。 第三代热作模具钢以瑞典开发的QRO 45、QR080、QR090为代表，铬含量为3%。 与H13钢相比，QR080M和OR090Supreme钢含有较低的Cr，同时增加了钢中的Mo含量，延缓了高温稳定性较好的MC型碳化物向稳定性较差的M23C6型碳化物的转变。 该钢种具有更持久的高温强度和抗热疲劳性能。 根据Udholm公司的测试结果，QR090Supreme钢的使用寿命比H13钢长约2倍，被称为20世纪90年代的热作模具材料。 国内开发的模具钢含铬量多为3%，如CHD、HMl、HM3、RM2、HD、Y4、GR钢等。

但由于QRO系列模具钢有贝氏体形成倾向，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，甚至引起早期开裂，其推广受到限制。 从第一、二、三代模具钢的演变规律不难看出，铬含量对热作模具钢的性能起着极其重要的作用。 另外，第一、二、三代模具钢的高温强化机理均利用了碳化物的二次硬化效应。 一汽集团与吉林大学联合开发的新型热作模具钢HHD在这两方面做出了改进。 一方面将铬含量提高到10%左右，同时添加适量的氮，利用氮的固溶强化和碳、氮化物的沉淀强化作用，提高了材料的热强度和耐磨性。材料。 1 实验方法 试验所用钢材为我公司自行研制的HHD锕钢，采用中频熔炼+电渣重熔工艺制成。 得到的钢锭在均质化退火后进行锻造。 其化学成分如表1所示。采用JEM-2000FX透射电子显微镜进行显微组织观察和分析，采用瑞士ARL4460光谱分析仪进行化学成分分析。 室温拉伸和高温拉伸试验由国家钢材检测中心分别按照GB/T228-2002和GB/T4338-1995标准完成。 在东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室，利用GLEEBLE1500热模拟器测量了HHD钢的连续冷却转变曲线和高温热塑性。

在自制的热疲劳试验机上进行了热疲劳实验。 将热处理后的样品加工成6mm、15mm、40mm的热疲劳样品。 在样品的一端，使用一根0.2毫米的钼丝，通过线切割预制一段较长的长度。 6毫米裂纹。 将样品表面加热至650℃后，在室温水中冷却2 s，继续加热和冷却循环。 使用体视显微镜和扫描电子显微镜（AMRA-1000B）观察热疲劳裂纹。 HHD钢化学成分 表1化学成分 HHDsteel wB (%) ——276'——-新型高性能热作模具钢（HHD钢）的研究与应用 2 2I-II-1D钢的显微组织和力学性能 2.1 物理性能HHD钢虽然合金元素含量较高，但其膨胀系数与H13相当（如表2）。 HHD钢的比热容总体趋势是随着温度的升高而增大（如表3所示）。 HHD钢热扩散系数随温度升高而降低，导热系数随温度升高而降低，如表4所示。HHD钢的导热系数不如H13钢，但差异不显着。 HHD钢的热扩散系数为2.2 CCT曲线。 HHD钢在1080℃奥氏体化并保温10min的CCT曲线如图1所示。从图1中可以看出，该钢的奥氏体化转变起始温度Ac为820℃，奥氏体转变结束温度Ac为880℃，马氏体相变起始温度Ms为300℃，马氏体相变终止温度Mf点为180℃。

该合金只发生马氏体相变，不发生其他相变，因此该钢是典型的马氏体钢。 HHD钢仅产生1_M转变，这与合金的成分密切相关。 该钢含有非常高的Cr、Mo、V、W和少量的C、N。其中Cr、Mo、V、W能显着延迟珠光体和贝氏体的转变，即使在0.052 oC时也是如此。 /s快速冷却不发生珠光体和贝氏体转变，仅发生马氏体转变。 这表明该钢种具有优良的淬透性，是一种全马氏体热作模具钢。 在不同冷却速度条件下，钢中仅发生马氏体相变，不发生其他类型的相变。 最终组织为马氏体，这对热作模具钢的热处理非常有利，可选择较慢的冷却速度。 ，有利于降低热应力，削弱热处理时的热变形，减少热裂纹等倾向。 从CCT曲线可以看出，HHD钢的碳化物析出倾向较小。 仅当冷却速率为0.53/s（冷却30分钟）时才会出现碳化物析出，且碳化物细小且弥散分布在基体上。 对比H13钢的CCT曲线，钢样冷却至90 s后开始析出碳化物，冷却至1000 s时开始析出贝氏体。 因此，为了控制H13钢淬火冷却过程中不产生碳化物析出，从1040℃到540℃的冷却速度必须大于5.5/s。 为了避免中心出现贝氏体，模芯从1040℃到340℃的冷却速度必须大于0.7℃/s。 ，对于大型模具来说，这是很难实现的。

H13钢冷却过模具早期破裂的风险。 2.3 ttttD钢的显微组织 淬火组织在回火过程中主要经历马氏体的再结晶和残余奥氏体向马氏体的转变。 在较高温度回火过程中，还伴随着碳化物的析出和析出。 聚集并成长。 HHD钢样品经高温淬火和回火处理后的显微组织如图2a和2b所示。 其组织为回火马氏体，基体上弥散有大量数十纳米的细小析出物。 经分析，主要是Mz、Cs、Mo：C、V(C、N)。 这些析出相具有较高的热稳定性，有利于提高材料的高温强度。 图2e、d和e分别是图2b中点状VC相、粒状M23C6相和短棒状Mo:C相的衍射谱。 晶带轴分别为[011]、[255]和[111]。 三个析出相分散分布在基体上，颗粒较小。 例如，v(c，N)具有约10至30nm的直径，M:3C6具有约50至100nm的直径，并且M02C具有小于10nm的直径和小于100nm的长度。 斯皮赫等人。 Wang等对Fel0Ni系合金钢中合金元素Co、Ni、Mo、Cr的作用以及二次硬化反应的析出行为进行了更详细的工作[6]。 试验证明，通过控制钢的成分和时效温度，可以使其具有较高的韧性。 明确指出，在热处理过程中，材料的显微组织由渗碳体转变为细小、弥散的合金碳化物相，从而获得高强度和韧性。

对HHD钢的研究发现，时效处理后钢中存在大量细小、弥散的析出物，对合金有良好的强化作用。 2.4机械性能热作模具经常在高温下工作。 因此，对热作模具钢在高温下的力学性能有很高的要求，以抵抗模具在热加工过程中承受的高交变机械应力。 和热应力。 表5为HHD钢经高温淬火+回火处理后的高温力学性能。 从表中可以看出，HHD钢具有更高的高温强度和更好的性能。 ——278——新型高性能热作模具钢（HHD钢）的研究与应用 图2 HHD钢热处理后的TEM形貌（a）、（b）及相应的衍射图谱（C）、（d）图 2 热处理后 HHDsteel 的 TEM 形貌 t(a)、(b) 和 EDP VC、M23C6、M02C (e) (d) (e) 高温稳定性。 从硬度测试数据可以看出，当温度低于450℃时，HHD钢保持较高的硬度； 当温度升至600℃时，硬度降至HV498.2； 当温度达到750℃时，硬度急剧下降，但仍保持HV296，具有较高的高温强度。 随着温度的升高，HHD钢的冲击韧性呈现上升趋势。 26.7℃、300℃和600℃时的平均冲击韧性分别为263.5J/cm2、331J/cm2和339J/cm2，当HHD钢的室温硬度为HRC40.2时，其室温冲击韧性为407 J/cm2，高于GB/T1299--2000和NADCA#207--2003 HHD钢的力学性能 表5机械性能 HHDsteel ————279————