上海博优模具材料有限公司 李 实博士
摘要：
本文介绍了日本山阳特钢研发的铝合金压铸用新模具材料QDX-HARMOTEX®的性能。压铸应用对模具材料的要求极高，既需要材料具有高韧性以避免模具的龟裂纹产生与发展，也需要材料具有极其优良的耐高温性能。QDX-HARMOTEX®是相对于通常使用的PGH13类材料具有相对的低硅元素，但是高钼元素含量的材料。 在化学成分的平衡方面以及材料内部碳化物的有效控制方面得到了良好的优化与平衡。使得此材料在显微组织优化方面，韧性，淬透性，耐高温回火性, 耐龟裂纹性能，耐溶蚀等诸多性能均较通常使用的进口AISI PGH13超优质材料有较大的提高。 能够有效的提高与延长模具寿命。对于影响压铸模具寿命的模具的真空热处理工艺本文也做了相应的介绍。
关键词：模具材料；QDX；模具寿命；热疲劳裂纹；模具热处理。
前言：
冶金材料科学工作者的努力方向之一是不断研发出新的材料以满足工程技术应用的需要。在压铸领域，近20年来已陆续开发出许多新型压铸模具材料，并广泛应用于实际生产。然而在铝、镁合金压铸用模具钢材方面，相当部分还是采用国外进口材料，例如：美国AISI H11(德国DIN 1.2343，日本JIS SKD6) 及AISI H13(德国DIN 1.2344，日本JIS SKD61)等钢种。从应用角度讲，压铸模具钢材应当具有抗微裂纹形成（即热疲劳裂纹或称龟裂纹）能力这需要材料具有极佳的耐高温回火性能[1]。同时，模具钢材也要具有抗裂纹扩展及延伸的能力这需要材料具有极佳的韧性。
为了达到更加良好的耐高温性能与良好的韧性，特殊钢材料制造厂家研发出了较典型的AISI H13材料在成分上调整后的低硅元素－高钼元素的改良型模具钢材料。北美压铸学会（NADCA）[2] 更是把压铸用模具材料细分为A，B，C，D，E五类模具材料。其中，A类是优质H13 即：PGH13。C类材料在改良型钢种中的耐高温性能最佳，E类材料的韧性最高。
QDX-HARMOTEX®是具有良好的耐高温性能与良好的韧性的新模具材料。材料相当北美压铸学会（NADCA）五类材料中的C类材料，具有更佳的耐高温性能。以下就QDX-HARMOTEX®材料的合金元素，纯净度，显微组织，以及相应的应用性能进行介绍。
对于压铸模具的使用，模具的真空热处理工艺与实际应用技术也是至关重要。现在普遍采用真空设备加热模具到奥氏体化温度避免模具在高温环境下的表面脱碳。模具在长时间保温后，在压力氮气（4－10巴）下或者油槽中淬火形成所需要的马氏体组织。经过多次回火后，达到所需要的模具使用硬度。文章也对新型热处理工艺进行了讨论。列举了模具实际使用案例。
一．模具材料QDX-HARMOTEX® 的特点
1、 合金元素的优化
众所周知，合金元素是影响钢材性能的基本因素之一。从金属学角度讲，钢材的性能取决于合金元素的性质与含量、冶炼技术及其热处理后的显微组织。良好的出厂宏观与微观组织是材料使用性能的保障。
AISI H13改良型钢主要是对钢中的合金元素进行调整。钢中的常见合金元素如：碳、铬、钼、钒、硅和锰等对模具钢的韧性及抗热疲劳性能均有影响（见表1）[3]。
表1 不同合金元素对模具钢韧性及抗热疲劳性能的影响
多数改良型钢种采用降低硅含量的措施来提高韧性即把AISI H13中的硅（Si）元素含量从1％左右降低到0.2－0.5％。当Si含量降到0.10%以下时，钢材的加工性能变得很差[4]。 一般Si含量控制在0.20%～0.35%范围内，以满足加工性能的要求。
改良型钢中的钼含量较AISI H13 钢的1.3%(wt)有所提高，一般控制在1.6%～3.0%之间[5] 。而碳元素、钒元素的含量则有所下降。
QDX-HARMOTEX®对碳元素－钼元素－硅元素－钒元素进行了调整使得合金元素达到最佳的平衡, 也就是在下文介绍的一次碳化物在高倍率扫描电子显微镜下几乎观察不到。
2、 高纯净钢
QDX-HARMOTEX® 材料的冶炼工艺采用的是电炉熔炼（EAF），然后采用炉外精炼之后采用RH真空脱气熔炼技术。铸成钢锭后，把钢锭再进行ESR电渣重熔精炼。使得材料的非金属夹杂物降低到极低的水准。如表2所示，钢材中的四种非金属夹杂物即：硫化物，氧化铝，硅酸盐，复合氧化物均达到并且优于北美压铸学会（NADCA）规定的夹杂物要求。
表2 QDX-HARMOTEX® 钢种的夹杂物等级
QDX-HARMOTEX® 采取最优化的锻造方案，确保了产品性能的各向均匀性[6]。在实际应用中，模具材料的各向同性（Isotropy）可使模材在各个方向上的性能均匀一致或接近，使模具型腔的寿命不会因取材的位置和方向而受影响。
3、出厂组织的控制
出厂前，材料的退火态显微组织、布氏硬度等是衡量出厂材料的主要指标。QDX-HARMOTEX® 材料在适当的热处理后，晶粒度在7级以上。出厂布氏硬度约为160 HB, 加工性能良好。图1所示为典型的QDX-HARMOTEX® 退火金相组织。材料晶粒细小，组织是球化退火态。
图1 QDX-HARMOTEX® 的退火金相组织 X500
4、回火特性：
QDX-HARMOTEX®材料的高温回火性能明显优于H13材料。图2所示是QDX-HARMOTEX® 材料与 H13材料的回火曲线的对比，两种材料均采用1030摄氏度保温30分钟后空冷然后测量不同温度下的回火硬度得出回火曲线。可以看出，QDX-HARMOTEX®加优越。
图2 新材料的回火特性曲线与H13材料的对比
5、 高温抗软化性能：
图3 是QDX-HARMOTEX®材料在600摄氏度高温长时间保温时硬度的变化与H13的对比。两种材料初始硬度在44－46HRC，在600摄氏度下保温不同时间空冷后，测量硬度。可以看出，QDX-HARMOTEX®在保温30小时后的硬度下降值比 H13要少，说明材料的高温抗软化性能更加优越。铝合金用高压压铸模具在使用中，之所以会产生热疲劳裂纹的原因之一是由于铝合金液体在模具型腔内凝固过程中释放热量使得模具材料表面的硬度下降。高温抗软化性能的提高能够增强材料的耐热疲劳性能。
图 3 新材料在600摄氏度高温长时间保温的硬度下降对比曲线
6、材料的韧性：
QDX-HARMOTEX®材料的板材按北美压铸学会的技术标准在材料的心部取材制作冲击试验样品。在材料最弱的厚度的横向做冲击试验，材料的硬度是44－46HRC。试验结果如图4所示，QDX-HARMOTEX®较H13材料韧性有50％以上的提高。韧性的提高不仅可以避免模具在使用中出现整体开裂的风险同时也能够提高材料的耐热疲劳性能。
图4 新材料的韧性与H 13材料的对比。
7、 淬火后的金相组织：
图 5是新材料在淬火回火后的金相组织（板材横截面尺寸：325X725毫米）。组织是回火马氏体，马氏体针细小均匀组织良好。
图 5 QDX-HARMOTEX®材料的淬火－回火组织 X500
图6是QDX-HARMOTEX®材料淬火－回火组织在扫描电子显微镜（SEM）下放大2000倍的组织。可以看出，材料在高放大倍数下组织中含有极少的一次碳化物。材料的耐龟裂纹性能的提高需要材料具有及其少量的一次碳化物[7]。 而H13材料通常在X2000倍下的组织中具有更多的较大颗粒一次碳化物，如图7所示。正是这些较大颗粒的一次碳化物的分布密度较高而且颗粒较大，降低了H13类材料的韧性。在使用中，龟裂纹的扩展会沿着晶界的碳化物逐步扩展使得材料耐龟裂纹性能下降裂纹扩展加速。
图 6 QDX-HARMOTEX®材料的淬火－回火扫描电镜组织 X2000
图7 H13材料的淬火－回火扫描电镜组织 X2000；组织中有较大颗粒的一次碳化物而且分布密度较高，降低材料耐龟裂纹性能[7]。
8、连续冷却曲线：
QDX-HARMOTEX®材料的CCT连续冷却曲线如图8 所示。新材料的珠光体区较H13 材料向右侧移动使得新材料的淬透性能够有很大的提高。新材料更加适合于大尺寸的模具使用，因为大尺寸模具材料在热处理淬火时心部的冷却速度会急剧降低。当模具的心部冷却速度缓慢下来后，极有可能最终组织跨过CCT曲线的珠光体区例如H13材料。这时由于珠光体组织的形成，即使模具材料的最终硬度达到设计的要求，但是材料的韧性会急剧下降。对于压铸用模具材料，一旦有珠光体形成材料的冲击韧性会下降到10焦耳（V－型）以下，模具有开裂的风险。NADCA要求材料热处理后的冲击韧性应当高于11焦耳（V－型）。所以，新材料的CCT曲线珠光体区的右移会有利于大型模具的热处理从而提高材料的整体韧性与耐热疲劳裂纹性能。
图 8 QDX-HARMOTEX®材料的CCT曲线
9 耐龟裂纹性能的测试：
耐龟裂纹试验是采用直径40毫米直径的圆棒在固定速度下旋转，感应加热到600摄氏度后保温5秒然后水冷50秒，反复循环1000次后观察材料表面裂纹的深度与裂纹的数量。 QDX-HARMOTEX®材料比H13材料的裂纹深度明显小，而且裂纹的数量也少，如图9所示。
图9 QDX-HARMOTEX®材料与H13材料耐龟裂纹性能对比试验结果
二、压铸模具的真空热处理技术
1. 典型的模具真空热处理工艺：
如图10所示，压铸模具装入料筐内。模具预留热电偶插孔，心部表面都需要有插孔。实际热处理过程的温度与实际控制是按照表面与心部的热电偶给出的数据具体执行。典型的真空热处理示意图由图11给出，其包括两步预热，奥氏体化，高压气体压力淬火，回火等步骤。
图10 模具装载照片，表面与心部的热电偶。
图11 典型的模具真空热处理工艺示意图
2. 模具的预热：
模具在热处理过程中，需要有两步预热。通常第一步预热在模具材料的Ac1温度之下，一般选择在550－750度之间。这部预热的目的是使得模具表面与心部尽量均匀以期待减少温度差别带来的热应力，减少模具热处理后的变形。模具的加热速度按照170－220度／小时进行。
模具的第二步预热是在800－850度之间，保温后使得模具表面与心部尽量达到一致。这个温度区间，模具的退火态组织的珠光体部分转变成高温的奥氏体。
奥氏体化温度通常采用1010－1050之间，根据实际应用可以选择高温段。这样模具材料的合金元素会比较完全的扩散到奥氏体基体。提高模具材料的耐高温性能与韧性。但是，高温保温时间需要严格的按照北美压铸学会（NADCA）的技术指标执行：在心部热电偶达到设定温度（<15度）记录保温时间在30分钟，立即淬火。
图12是模具在高温段保温曲线。心部到温后保温30分钟后淬火。
图12 模具真空热处理高温段保温曲线。
3、 模具的淬火：
氮气淬火压力通常使用6－10个巴的压力。风机转速在1500－3000RPM。按照北美压铸学会（NADCA）技术标准要求，在淬火温度到540度之间需要绝对冷却速度达到28度／分钟。但是对于大型模具，重量在800公斤以上时，实际模具表面冷却速度只有22度／分钟[8] 。对于高韧性模具材料QDX-Harmotex® 在这个冷速下，模具的表面韧性可以达到40焦耳以上的U－型冲击功。图13所示是大型模块材料280x500X830毫米的热处理试验照片。
图13所示是大型模块材料280x500X830毫米的热处理试验照片
对于大型模具在Ms点附近，冷却需要减慢。模具的表面首先形成马氏体组织，模具表面的强度提高而心部仍然是奥氏体组织。当心部开始转变成马氏体时，模具材料的体积膨胀，形成内部应力。缓慢冷却可以避免模具在冷却过程中的开裂。当模具表面冷却到50－度时，热处理模具从真空设备中取出。立即回火[8] 。
4、 模具的回火：
压铸模具的回火至关重要。现在常见的问题是回火保温时间不足，导致模具产生脆性。 通常压铸模具需要回火三次，大型模具需要回火四次乃至五次，确保模具内应力在回火后得到释放。回火的保温时间通常按照模具的有效厚度计算。每25毫米的厚度保温2小时。
通常第一次回火采用560度。也有采用580度或者更高温度的，其目的是避免在材料的回火脆性区回火，通常在550度。第一次回火后，模具需要风冷。这样，模具内部的残余奥氏体在冷却过程中可以转变成新生的马氏体组织。其在第二次回火时，得到回火形成回火马氏体。
第二次回火的主要目的是得到模具材料的使用硬度，同时第一次回火所形成的马氏体得到充分的回火。模具硬度的取得可以使用较高的回火温度，也可以通过使用较低的回火温度但是延长保温时间来得到硬度[9]。较低温度较长时间保温回火，得到的模具硬度有两点好处：一个是模具心部尤其是大型模具能够得到良好的回火。第二是较低温度（600度以下）保温所析出的碳化物颗粒更加细小[10] [11] [12] 。
第三次回火的目的主要是去应力。模具尤其是大型模具在热处理后，由于组织的转变以及热应力的交互作用产生的内部应力需要消除。通过高温回火，可以降低材料内部应力。避免模具在使用过程中出现开裂问题[13]。对于大型模具，有必要进行更多次的高温回火来降低模具内部应力。
三．QDX-HARMOTEX®模具材料实际使用案例：
图13-a是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的模具。随着通讯事业的发展，铝合金基站壳体被广泛的使用在通讯行业如：4G， 5G。这些产品是由高压压铸工艺制造的。由于是外观产品，相应的对模具耐早期裂纹性能要求严格。QDX-HARMOTEX®模具材料在压铸通讯基站铝合金产品方面，有良好的寿命表现。
图13 b, c是使用QDX-HARMOTEX®模具材料制造的汽车发动机缸体模具以及真空压铸模具。在汽车压铸产品领域QDX-HARMOTEX®材料的使用寿命较同类模具材料具有更长的模具使用寿命。
结论：
日本山阳特钢研发的新模具材料QDX-HARMOTEX®是PGH13 改良材料，具有较低的碳元素－低硅元素－高钼元素的特点。新材料在纯净度，显微组织等诸多性能方面达到了NADCA的技术标准对C类材料的要求。而且具有更加优良的耐高温回火性能，抗软化性能，优良的韧性能够克服龟裂纹的延展。材料的淬透性有更好的提高适合大型模具的使用。耐龟裂纹试验证实新材料具有优良的耐龟裂纹性能。
模具的真空热处理，需要使用表面与心部热电偶来控制高温保温时间。高压气体冷却需要保证在模具不开裂的前提下，使用最快的冷却速度确保良好的组织转变与使用性能。回火的保温时间要足够长，确保大型模具的心部得到足够的回火。
QDX-HARMOTEX®模具材料在通讯压铸模具以及汽车铝合金压铸模具应用方面有良好的表现。有效的提高了压铸模具的使用寿命。
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