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H13鋼壓鑄模具的表面改性

摘要： 著重介紹H13鋼的化學(xué)成分及低Si高M¬0的改進(jìn)方向，同時(shí)論述了壓鑄模具的表面PVD改性。
關(guān)鍵詞：壓鑄模具，熱處理， 表面改性，物理氣相沉積
1. 壓鑄模具和H13
國(guó)內(nèi)有色金屬壓鑄模具普遍采用H13熱作模具鋼。所謂熱作模具是指對(duì)加熱至再結(jié)晶溫度以上的金屬或合金進(jìn)行塑性變形的和對(duì)液態(tài)的有色金屬壓制成型制造零部件的模具。
作為有色金屬的壓鑄模具用鋼一般應(yīng)具有下述條件：
（1）具有較高的淬透性，熱處理時(shí)可采用冷卻強(qiáng)度較小的介質(zhì)和具有較小的熱處理變形；
（2）具有高的抗熱裂性和耐熱疲勞抗力，使模具經(jīng)受激冷激熱不易形成裂紋以及形成的裂紋不易擴(kuò)展，避免模具失效；
（3）具有高的抗熱軟化能力和抗高溫磨損能力，使模具保持一定的高溫強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性；
（4）具有高的抗液態(tài)金屬的粘焊（soldering）和化學(xué)沖蝕損傷，國(guó)內(nèi)以熔化液態(tài)金屬的熔損來(lái)表征。
要達(dá)到這些兼具高溫強(qiáng)度和高韌度要求，又有較高的高溫硬度和抗磨損能力，主要由鋼的化學(xué)成分決定，一般采用中碳含量（0.35～0.45％）和含Cr、W、M0和V等合金元素,合金元素總量在6~25%范圍。
在美國(guó)，熱作模具鋼分為三種：
鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼，全部以H命名。分別為H10～H19,H21~H26,和H42、H43[1]。用于Al合金壓鑄模的鋼種，目前很普遍采用H13鋼，它屬于*種。國(guó)內(nèi)鋼號(hào)為4Cr5M0SiVl。以前國(guó)內(nèi)采用較多的3Cr2W8V鋼的熱疲勞性和韌度顯得不足。
H13鋼的含碳量在0.5％以下。美國(guó)AISI H13,UNS T20813, ASTMA681(版)的H13鋼和FED QQ-T-570的H13的含碳量都規(guī)定為（0.32～0.45）％, 是所有H13鋼中含碳量范圍zui寬的。我國(guó)GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1鋼號(hào)的含碳量為（0.32～0.42）％和（0.32～0.45）％。德國(guó)DIN17350 X40CrM0V5-1和WNr1. 2344鋼的含碳量為（0.37～0.43）％，含碳范圍較窄[2]。北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA 207-90中對(duì)中H13鋼的含碳量規(guī)定為（0.37～0.42）％。
鉻和其他碳化物形成元素一起提供給鋼具有較高的淬透性和好的抗軟化能力，所以該鋼在空冷條件下能夠淬硬。在6 barN2氣體真空處理?xiàng)l件下可淬透直徑為160mm[3]。但鉻的加入會(huì)增加碳化物的不均勻程度，致使鋼中會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物，這種碳化物現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一般可用高碳鉻軸承鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)定[4]。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強(qiáng)度，但對(duì)韌度不利。材料中增加鉬和鎢，有人提出[5]，（1/2W+M0）的量至1％以上時(shí)，會(huì)使材料500℃以上進(jìn)行回火時(shí)仍獲得較高硬度，并具有二次硬化能力。H13鋼的二次硬化能力不很明顯，可參見(jiàn)資料[1]。提高V的含量，如V的量由0.4％（SKD6,相當(dāng)于H11）提高至1%，使H13鋼（SKD61）的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性提高了，同時(shí)V也增加水沖洗抗力，實(shí)際上是提高水浸侵蝕磨損抗力（erosive wear）[1]。
另外，鋼中加入W、M0、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素，能對(duì)奧氏體晶粒細(xì)化，也使溶入奧氏體后在回火過(guò)程中產(chǎn)生二次硬化效果。對(duì)Cr的加入形成的碳化物為M23C¬6型，其在1100℃奧氏體化時(shí)基本上溶解完了，（全部溶入奧氏體的溫度是1160℃），這將決定H13鋼的*奧氏體化溫度處于1020～1080℃范圍內(nèi)[6]。
含Cr熱作模具鋼的含Si量都在0.80～1.20％，只有H19鋼含Si量為0.20～0.50％。鋼中增加Si的量除了固溶強(qiáng)化影響外，它能改進(jìn)鋼的高溫抗氧化能力，直至800℃（1475℉）。但Si有損于韌度提高?，F(xiàn)在H13鋼的發(fā)展正在向低Si高M¬0的第二階段進(jìn)行，（發(fā)展*階段是提高H13鋼的材質(zhì)和熱處理水平）。人們已逐漸認(rèn)識(shí)到低Si的效果主要有：減輕材料的偏析，改善宏觀組織均勻程度；減少凝固時(shí)液/固界面上成分過(guò)冷，改善結(jié)晶的微觀組織和奧氏體晶粒細(xì)化；提高鋼的韌度以及抗熱裂能力和減低高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速度以及高溫蠕變裂紋擴(kuò)展速率；延緩鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)增加M0的量至3％左右，日本低Si高M0的SKD61的成分范圍為：C（0.30～0.40％）、Si（0.05～0.30）、Cr（4.9～5.5%）、M0（2.0～3.5％）和V（0.50～1.20％）。相應(yīng)低Si高M0的德國(guó)鋼號(hào)為1.2367，其成分為C 0.40％， Si 0.40％，Cr 4.95％， M03.0％和V0.9％。 M0的量提高至3.0％，則使鋼的淬透性提高，防止奧氏體晶界碳化物的析出和延緩貝氏體轉(zhuǎn)變；提高回火抗力和韌度；提高高溫強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度；提高抗熱裂能力。關(guān)于延緩貝氏體轉(zhuǎn)變，有資料報(bào)導(dǎo)：對(duì)610×203×500mm的H13模塊經(jīng)3 bar（約3atm）氣淬后心部和表面的貝氏體量達(dá)70％和40%， 而對(duì)低Si高M0SKD61鋼相應(yīng)僅有2％和1%[7]。這對(duì)模具使用壽命提高十分有利。我國(guó)的一種新型熱作模具鋼3Cr3M03VNb的M0量也為3%（范圍為2.70～3.20％），Si的量為≤0.60％， 其性能優(yōu)良的一個(gè)原因也應(yīng)歸咎于低的Si高M0的。
2.H13鋼的表面改性
壓鑄模具的使用壽命決定于很多因素：模具設(shè)計(jì)的合理性，模具材料選擇正確性，模具機(jī)械加工和熱處理工藝的合理正確制訂，當(dāng)然還應(yīng)涉及模具的使用條件和維護(hù)。其中模具材料的質(zhì)量和熱處理是相當(dāng)重要的關(guān)鍵因素。熱處理應(yīng)包括整體工件的熱處理和工件的表面改性。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)汽車工業(yè)會(huì)、德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)、材料協(xié)會(huì)和壓鑄協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，還有通用汽車、福特汽車的*標(biāo)準(zhǔn)等。對(duì)H13鋼整體熱處理和檢測(cè)十分重要，我們將另有專論。
H13鋼鍛模和鋁合金壓鑄模的表面改性目前主要在以下兩個(gè)方面：（1）鐵素體氮碳共滲和硫氮碳共滲技術(shù)和（2）PVD涂層技術(shù)。國(guó)內(nèi)外在這兩方面進(jìn)行的研究論文有了發(fā)表， 但具體工業(yè)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)不多。專門(mén)從事材料表面改性技術(shù)的法國(guó)HEF集團(tuán)在一些性會(huì)議上以論文形式報(bào)導(dǎo)了H13鋼表面改性工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，同時(shí)艾福表面處理技術(shù)（上海）有限公司（HEF Shanghai）結(jié)合舍福表面處理技術(shù)有限公司（TS Shanghai）的實(shí)踐匯同國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)（尤其是NADCA的專家和Case Western Reserve 大學(xué)教授的工作）作一定描述。
國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為， 熱疲勞發(fā)生龜裂損傷和熱磨損是熱作模具失效的兩大主要原因。這方面，國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)敘述得十分明確：模具的損壞和限制模具壽命上升的三個(gè)機(jī)制為：1)液態(tài)金屬鋁的粘焊（soldering）和化學(xué)沖蝕損傷。2)磨損和腐蝕。3)熱疲勞開(kāi)裂。其中1)是zui重要的失效機(jī)制。他們提出采用鐵素體氮碳共滲和離子氮化能顯著提高工具鋼的模具壽命。國(guó)內(nèi)有關(guān)鋁熔損的試驗(yàn)指出，當(dāng)模具材料硬度為45HRC時(shí)，未表面處理的鋁熔損率高達(dá)54.90％時(shí)，當(dāng)采用鹽浴硫氮碳共滲，其熔損率僅為0.10％，當(dāng)采用鹽浴氮碳共滲（軟氮化）后在加上PVD處理時(shí)，熔損率更明顯降低至0.10％。由此可見(jiàn)H13鋼的表面改性的效果十分明顯。
解決H13鋼表面改性問(wèn)題的*途徑是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被鋁合金熔液潤(rùn)濕，同時(shí)涂覆的硬膜也賦予模具材料表面的腐蝕磨損抗力。HEF集團(tuán)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)的鋁合金工件壓鑄成型模具中的挺桿（38CDV5，相當(dāng)于H13鋼）表面沉積3μm厚的CERTESS SD 涂層，其硬度可達(dá)4000～4500HV，使用溫度可達(dá)800℃，還可抗鋁合金的黏結(jié)，使用壽命提高至10萬(wàn)次，是未進(jìn)行沉積處理挺桿的6~7倍。
對(duì)如何獲得這種不被液態(tài)金屬潤(rùn)濕的硬質(zhì)膜， Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等[8]提出多層優(yōu)化涂膜的結(jié)構(gòu)是：①先對(duì)H13模具基體進(jìn)行表面改性，如采用鐵素體氮碳共滲或離子滲氮；②50～100nm的結(jié)合中間層（adhesion interlayer）如Ti或Cr；③調(diào)整基材和涂層之間由于壓鑄作業(yè)引起的熱殘余應(yīng)力的中間過(guò)度層（intermediate graded layer），這可應(yīng)用有限元模擬方法確定，他們舉例認(rèn)為，這取決于所選的工作硬化層，當(dāng)工作層選用Al2O3層時(shí)，這中間過(guò)渡層為Ti－Al－N梯度層；④工作涂層，與液態(tài)金屬或玻璃不相潤(rùn)濕（non wetting）， 對(duì)Al合金壓鑄，可采用CrN，TiAlN，TiCB和Al2O3等。相應(yīng)多層結(jié)構(gòu)膜總厚在5～8μm之間。
在模具工件上通過(guò)PVD技術(shù)獲得優(yōu)異質(zhì)量的涂層， 應(yīng)該依賴于高性能的設(shè)備和能優(yōu)化選擇的工藝參數(shù)。這種設(shè)備具有下述技術(shù)要求：①涂覆處理溫度低；②繞涂性好；③涂層沉積均勻；④采用增強(qiáng)離化率技術(shù)；⑤的涂層成分控制；⑥一定的沉積速率；⑦能進(jìn)行多層復(fù)合涂；⑧能得到納米結(jié)構(gòu)的涂層；⑨具有PVD和CVD的工作模式；⑩能邊涂覆邊刻蝕，獲得*的涂層質(zhì)量。
法國(guó)HEF集團(tuán)發(fā)展并應(yīng)用等離子體增強(qiáng)磁控濺射（PEMSTM）技術(shù)對(duì)涂層的沉積過(guò)程進(jìn)行的控制。應(yīng)用PEMSTM技術(shù)可以達(dá)到涂層zui高理論密度。HEF集團(tuán)真空涂層設(shè)備和技術(shù)因此在世界上處于地位。概括地說(shuō)，HEF的設(shè)備和技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：
1) 可以獨(dú)立地對(duì)離子的流量和能量進(jìn)行控制，從而得到zui高密度和性能的涂層；
2) 采用*的OES系統(tǒng)對(duì)等離子體波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)涂層成分的控制；
3) 獲得的所有硬質(zhì)涂層都具有納米級(jí)（≤20nm）結(jié)構(gòu)；
4) 低電壓、高真空度環(huán)境下均勻的轟擊，可以*地減弱尖角效應(yīng)；
5) 在抽真空的同時(shí)進(jìn)行加熱，充分迅速地去除水分，獲得、的沉積效果；
6) zui低處理溫度可達(dá)到80℃，可用于對(duì)幾乎所有材料，包括鋁合金和聚合物材料進(jìn)行涂層加工；
7) 一臺(tái)設(shè)備同時(shí)擁有PVD和PACVD加工模式，給客戶的技術(shù)升級(jí)以充分的支持。
法國(guó)HEF集團(tuán)通過(guò)艾福表面處理技術(shù)（上海）有限公司已在上海舍福表面處理技術(shù)有限公司（上海松江）投資引入兩種系列的PVD/PACVD設(shè)備，現(xiàn)在能涂覆的硬膜涂層主要有CrN、CrxNY、TiN、TiBN、TiCN、TiALN和類金剛石DLC膜，他們對(duì)PVD涂膜前的H13鋼基材等的表面改性采用液體硫氮碳共滲或液體氮碳共滲也具有鮮明特色，稱作為Sursulf/Arcor（舍舍夫/阿可）技術(shù)或Tufftride/ Tenifer（由其2001年并入HEF集團(tuán)的德國(guó)子公司Durferrit提供）。
3 結(jié)束語(yǔ)
1) H13鋼是世界上普遍使用的強(qiáng)韌兼具的熱作模具鋼，具有高的淬透性和抗熱裂能力。很多場(chǎng)合應(yīng)用于制造鋁合金壓鑄模具。
2) H13鋼的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為4Cr5M0SiVl，現(xiàn)在正在向低Si高M0方向發(fā)展。
3) H13鋼的表面改性主要有鐵素體氮碳共滲或者硫氮碳共滲以及物理氣相沉積硬膜等方法， 更為*的辦法是這些方法進(jìn)行合理組合。

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