新型高性能热作模具钢.pdf

1姜启川姜启川新型高性能热作模具钢新型高性能热作模具钢吉林大学吉林大学2009 年 10 月2009 年 10 月1 1 立项背景立项背景? 世界模具市场总销售额近几年来一直在世界模具市场总销售额近几年来一直在600～～650亿美元左右波动亿美元左右波动 2007年我国模具销售额约年我国模具销售额约870亿元，比亿元，比2006年增长年增长21％左右热作模具％左右热作模具（压铸模具、热锻模具、热挤压模具等）每年消耗近百亿元，消耗进口与（压铸模具、热锻模具、热挤压模具等）每年消耗近百亿元，消耗进口与国产热作模具钢国产热作模具钢 7～～10万吨万吨（为各种合金工模具钢产量的首位 ），（为各种合金工模具钢产量的首位 ），价值价值20～～30亿元亿元（高端进口热作模具钢的价格是国产热作模具钢的（高端进口热作模具钢的价格是国产热作模具钢的 4 倍左右倍左右） 目前，国产热作模具钢制造的热作模具的寿命仅是进口的目前，国产热作模具钢制造的热作模具的寿命仅是进口的1/2- 1/5，因，因此，大型、复杂、重此，大型、复杂、重要要的高端热作模具几的高端热作模具几乎全部采用乎全部采用进口热作模具钢进口热作模具钢。

近年来，近年来，我国我国自主开发自主开发的新型热作模具钢的新型热作模具钢很少很少，，而而国国外却开发出许多外却开发出许多高性高性 能热作模具钢能热作模具钢因此，因此，开发出开发出具具有自主知识有自主知识产产权权的高寿命热作模具钢的高寿命热作模具钢已已是是 热作模具制造热作模具制造业业的重大的重大关键关键，具，具有有重大的重大的经济经济与与社会效益 和科社会效益 和科学学意义意义2?压铸模具压铸模具主要主要是是热热机械疲劳失效机械疲劳失效2 热作模具失效形式热作模具失效形式? 热锻模具热锻模具主要主要是是磨损失效磨损失效20221= SICKRσ通过通过新的合金新的合金成分设计成分设计、、微微合金合金化化、、孕育孕育、、变质和变质和新的新的强韧化强韧化热热处理处理，，得得到低碳板条马氏体＋纳米尺寸碳化物＋晶粒细化＋纯净化＋抗到低碳板条马氏体＋纳米尺寸碳化物＋晶粒细化＋纯净化＋抗高高温氧化温氧化的的致密保护膜组织致密保护膜组织，，发明出新型高寿命热作模具钢发明出新型高寿命热作模具钢，，使其使其具具有有高的高的抗抗热热机械机械疲劳疲劳、高、高温磨损温磨损、高、高温氧化温氧化、高、高温蠕变温蠕变等性能，等性能，提提高热作模具高热作模具使用使用寿命寿命。

裂纹顶裂纹顶端端塑塑性性区区? 高高温氧化温氧化? 提提高热作模具寿命高热作模具寿命途径途径第第一一代代低低Cr- Mo系系热作模具钢，热作模具钢，20年年代代，，Cr:1- 2wt%，，Mo:0.2wt%最最新新推推出出热作模具钢，热作模具钢，2000年年后后，， Cr:5wt%, Mo:2.5wt%第二代第二代H系列系列热作模具钢，热作模具钢，70年年代代, Cr:5wt%, Mo:1.3wt%第三代第三代QRO系列系列热作模具钢，热作模具钢，90年年代代, Cr:3wt%, Mo:2.0wt%3 3 热作模具钢的研究现状与发展热作模具钢的研究现状与发展3近年来国近年来国外外最最新新推推出出的的主要主要热作模具钢热作模具钢化化学学成分成分0.8- 1.20.6- 1.01.6- 2.4-4.75- 5.50.35- 0.45H12 0.8- 1.20.30- 0.60-1.1- 1.64.75- 5.50.33- 0.43H11-0.201.00-5.003.000.45GS999（德国）1.01.01.255.00.37SKD61 （日本）Ni:0.6, Co:0.60.100.80-3.205.500.4AMAX（日本）*Ni:0.64 Co:0.580.200.70-2.445.110.42DAC55（日本）*0.35 0.902.252.600.40QRO90Supreme （瑞典）1.0 0.901.45.20.39ASSAB 8407 （瑞典）0.240.50-2.404.800.39DIEVAR（瑞典）*-0.250.50-2.925.000.43GS344M（德国）*-0.250.47-1.305.050.35ADC3（法国）*-0.190.40-1.404.670.39W400（奥地利）*-0.200.51-2.204.900.41DH31- S（日本）其它SiVWMoCrC元素含量 （wt.%）钢 号注：＊－实测注：＊－实测化化学学成分成分。

近年来国产近年来国产主要主要热作模具钢热作模具钢化化学学成分成分0.30- 0.70Al0.80- 1.100.90- 1.20-2.80- 3.303.80- 4.300.47- 0.57012A1.00Mn0.401.00-2.102.800.40Y41.00Mn0.401.001.002.102.800.40TM0.002B0.14- 0.221.00- 1.40-1.80- 2.202.50- 3.000.35- 0.45HD0.10- 0.20Nb0.10- 0.271.00- 1.403.50- 4.502.00- 3.002.50- 3.500.37- 0.47GR0.08- 0.15Nb0.200.60- 0.80-2.70- 3.202.60- 3.200.20- 0.28HM3-0.200.80- 1.201.20- 1.802.50- 3.002.80- 3.300.32- 0.42HM1其它SiVWMoCrC元素含量（元素含量（wt.%））钢 号由上述由上述国国内内外外研究研究进进展表明展表明，，国国内内外外热作模具钢的热作模具钢的主要成分主要成分 Cr含含量量≤≤5wt%，，且未见同时且未见同时采用微采用微量量N、、Y、、Ce、、Ti、、Ca 进进行行复合复合微微合金合金化化。

4冲破了冲破了目前国目前国内内外外先先进热作模具钢进热作模具钢传统传统的的中中、、低低Cr（（1- 5.5 wt.%））含含量量和和未同时未同时采用微采用微量元量元素素（（N、、Y- Ce、、Ti和和Ca- Si ）复合）复合微微合金合金化化的合金的合金成分成分设计设计思路思路的的束缚束缚提出提出了了高高Cr （（Cr：：10.0 wt.% ））含含量量和微和微量量N、、Y- Ce、、Ti、、Ca- Si 复合合复合合金金化化的的新的合金新的合金成分设计成分设计思路思路实现实现在在马氏体马氏体基基体体上弥散上弥散分分布布纳米尺寸碳化纳米尺寸碳化物和 抗物和 抗高高温氧化温氧化的的致密氧化膜组织致密氧化膜组织发发明了明了具具有有独立独立自主知识自主知识产产权权的新型高的新型高寿命高寿命高Cr “热作模具钢热作模具钢” - HHD钢（钢（High chromium hot working die steel）4 4 新型高性能热作模具钢的合金新型高性能热作模具钢的合金成分设计成分设计该该成成果详见果详见发发表论文：表论文： Thermal fatigue behavior of new type high- Cr cast hot work die steel, ISIJ International, 2004; 44 (6): 1103- 1107.4.1 获获得低碳板条马氏体得低碳板条马氏体、、纳米尺寸碳化物和纳米尺寸碳化物和 抗抗高高温氧化温氧化的的致密氧化膜致密氧化膜的的Cr、、C 含含量量优优化设计化设计4.1.1 碳碳含含量量对对HHD钢钢α→γ转α→γ转变变的的影响规律影响规律不同不同碳碳含含量量试样试样的的淬火淬火组织组织采用采用THERMO- CALC软件软件计计算算出出HHD钢钢平衡相图平衡相图和和对对计计算相图算相图的重的重要成分要成分点熔炼点熔炼的钢的钢样样通过通过XRD、、TEM、、SEM、、光镜光镜等等表征手段表征手段进进行了验证实验行了验证实验，，揭示揭示了了碳碳、、铬含铬含量量和温和温度度对对HHD钢钢中中的的αα（（铁铁素素体体）、）、γγ（（淬火淬火马氏体马氏体））及及碳化物碳化物（（MxC、、M23C6）等）等相相形形成成的的影响规律影响规律。

54.1.2 碳碳含含量量对对HHD钢钢碳化物碳化物形形成成的的影响规律影响规律不同不同C含含量量XRD分分析析4.1.3 4.1.3 铬含铬含量量对对铬含铬含量量对对HHDHHD钢钢钢钢α→γα→γα→γα→γ转转变变的的影响规律影响规律转转变变的的影响规律影响规律不同铬含不同铬含量量试样试样的的淬火淬火组织组织64.1.4 4.1.4 铬含铬含量量对对铬含铬含量量对对HHDHHD钢钢碳化物碳化物形形成成的的影响规律影响规律钢钢碳化物碳化物形形成成的的影响规律影响规律不同不同Cr含含量量XRD分分析析??建建立了立了成分成分、、温温度度与与相相形形成成之间之间的的定定量量关关系系（（如如图图所所示示），），优优化设化设计出计出获获得低碳板条马氏体得低碳板条马氏体、、纳米尺寸碳化物和抗纳米尺寸碳化物和抗高高温氧化温氧化的的致密氧化膜致密氧化膜的的铬铬、、碳碳含含量量范围范围，，与与实实际际HHD钢的钢的组织组织相相吻吻合同时同时，为，为开发开发获获得低得低碳板条马氏体和纳米尺寸碳化物碳板条马氏体和纳米尺寸碳化物的新的的新的强韧化强韧化热热处理处理工工艺艺提提供供了了理理论论依依据据HHD钢钢γγ与与碳化物碳化物相相形形成成随随C、、Cr含含量量变化变化相图相图7HHD钢的钢的CCT曲线（曲线（a为碳化物析出线）为碳化物析出线）5 新型高性能热作模具钢的的新型高性能热作模具钢的的强韧化强韧化热热处理处理工工艺艺首首次次测测定定了了HHD钢的钢的CCT曲线曲线，，未未发发现现HHD钢钢存存在国在国内内外外先先进热作模进热作模具钢具钢导导致致性能性能降降低低的的贝贝氏体氏体转转变变。

为为典典型的型的马氏体马氏体钢，具钢，具有有优优良良的的淬淬透透性HHD钢的各钢的各相相变变临临界界点点分分别别为为：：Ac1：：820℃℃，，Ac3：：880℃℃，，Ms：：300℃℃，，Mf：：180℃℃8407钢钢DIEVAR钢钢QRO90钢钢DHA13钢钢 国际先进热作模具钢的国际先进热作模具钢的CCT曲线曲线采用采用单单因因素优素优化设计化设计方法方法，，141种工种工艺艺，，开发出开发出新的新的强韧强韧化化热热处理处理工工艺艺，，实现了实现了在在马氏体马氏体基基体体上弥散上弥散分分布布大量直大量直径径只只有有10- 20nm的的MxC和和M23C6型型碳化物碳化物HHD钢钢回回火火组织组织 (a) 回回火火马氏体马氏体，， (b) 、、(c) 弥散弥散碳化物碳化物，， (d)XRD85.1 5.1 消消除严除严重重影响影响强韧强韧性的铸性的铸态态晶晶界界网状共网状共晶晶 碳化物碳化物的的预预处理处理工工艺艺（（正正火火＋＋高高温温球球化化退退火火））790℃退℃退火火铸铸态态组织组织860℃退℃退火火HHD钢钢经经优优化化预预处理处理后后，，组织组织中中的的碳化物主要碳化物主要是是MC和和 M23C6型型碳化物碳化物。

M23C6尺寸尺寸为为100~200nm，，MC尺寸尺寸为为 50nm左右95.2 5.2 获获得得高高Cr含含量量低碳板条马氏体低碳板条马氏体淬火淬火工工艺艺不同不同温温度度淬火淬火组织组织 (SEM)HHD钢的钢的淬火淬火 (a) 板条马氏体板条马氏体 (b) 位位错错 (c) 孪孪晶晶通过通过优优化化淬火淬火工工艺艺，，使使绝绝大大部分碳化物已部分碳化物已溶入溶入基基体体，， 部分部分未未溶溶M(C,N) 尺寸尺寸仅为仅为5~20nm获获得得了了较佳较佳的的强韧强韧性105.3 5.3 马氏体马氏体基基体体上弥散上弥散分分布布纳米尺寸碳化物纳米尺寸碳化物的的回回火火工工艺艺HHD钢的钢的回回火火组织组织 (a) 回回火火。