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模具失效的原因及預防措施
 
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標題:H13鋼壓鑄模具的表面改性

1. 壓鑄模具和H13
   國內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加熱至再結晶溫度以上的金屬或合金進行塑性變形的和對液態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具有下述條件:(1)具有較高的淬透性,熱處理時可采用冷卻強度較小的介質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,使模具經受激冷激熱不易形成裂紋以及形成的裂紋不易擴展,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度和尺寸穩定性;(4)具有高的抗液態金屬的粘焊       (soldering)和化學沖蝕損傷,國內以熔化液態金屬的熔損來表征。要達到這些兼具高溫強度和高韌度要求,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,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,它屬于第一種。國內鋼號為4Cr5M0SiVl。以前國內采用較多的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AISI H13,UNS T20813, ASTMA681(最新版)的H13鋼和FED QQ-T-570的H13的含碳量都規定為(0.32~0.45)%, 是所有H13鋼中含碳量范圍最寬的。我國GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1鋼號的含碳量為(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%。德國DIN17350  X40CrM0V5-1和WNr1. 2344鋼的含碳量為(0.37~0.43)%,含碳范圍較窄[2]。北美壓鑄協會標準NADCA 207-90中對中高級H13鋼的含碳量規定為(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氣體真空處理條件下可淬透直徑為160mm[3]。但鉻的加入會增加碳化物的不均勻程度,致使鋼中會出現亞穩定的共晶碳化物,這種碳化物現在國內一般可用高碳鉻軸承鋼相關標準予以評定[4]。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強度,但對韌度不利。材料中增加鉬和鎢,有人提出[5],(1/2W+M0)的量至1%以上時,會使材料500℃以上進行回火時仍獲得較高硬度,并具有二次硬化能力。H13鋼的二次硬化能力不很明顯,可參見資料[1]。提高V的含量,如V的量由0.4%(SKD6,相當于H11)提高至1%,使H13鋼(SKD61)的熱強度和熱穩定性提高了,同時V也增加水沖洗抗力,實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,能對奧氏體晶粒細化,也使溶入奧氏體后在回火過程中產生二次硬化效果。對Cr的加入形成的碳化物為M23C¬6型,其在1100℃奧氏體化時基本上溶解完了,(全部溶入奧氏體的溫度是1160℃),這將決定H13鋼的最佳奧氏體化溫度處于1020~1080℃范圍內[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的量除了固溶強化影響外,它能改進鋼的高溫抗氧化能力,直至800℃(1475℉)。但Si有損于韌度提高。現在H13鋼的發展正在向低Si高M¬0的第二階段進行,(發展第一階段是提高H13鋼的材質和熱處理水平)。人們已逐漸認識到低Si的效果主要有:減輕材料的偏析,改善宏觀組織均勻程度;減少凝固時液/固界面上成分過冷,改善結晶的微觀組織和奧氏體晶粒細化;提高鋼的韌度以及抗熱裂能力和減低高溫疲勞裂紋擴展速度以及高溫蠕變裂紋擴展速率;延緩鋼的貝氏體轉變。同時增加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%)。相應低Si高M0的德國鋼號為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變;提高回火抗力和韌度;提高高溫強度和高溫蠕變強度;提高抗熱裂能力。關于延緩貝氏體轉變,有資料報導:對610×203×500mm的H13模塊經3 bar(約3atm)氣淬后心部和表面的貝氏體量達70%和40%, 而對低Si高M0SKD61鋼相應僅有2%和1%[7]。這對模具使用壽命提高十分有利。我國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%, 其性能優良的一個原因也應歸咎于低的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:模具設計的合理性,模具材料選擇正確性,模具機械加工和熱處理工藝的合理正確制訂,當然還應涉及模具的使用條件和維護。其中模具材料的質量和熱處理是相當重要的關鍵因素。熱處理應包括整體工件的熱處理和工件的表面改性。相關的標準主要有北美壓鑄協會標準、法國汽車工業會、德國鋼鐵協會、材料協會和壓鑄協會的標準,還有通用汽車、福特汽車的推薦標準等。對H13鋼整體熱處理和檢測十分重要,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方面:(1)鐵素體氮碳共滲和硫氮碳共滲技術和(2)PVD涂層技術。國內外在這兩方面進行的研究論文有了發表, 但具體工業應用報導不多。專門從事材料表面改性技術的法國HEF集團在一些國際性會議上以論文形式報導了H13鋼表面改性工業應用的實例,同時艾福表面處理技術(上海)有限公司(HEF Shanghai)結合舍福表面處理技術有限公司(TS Shanghai)的實踐匯同國外的相關文獻(尤其是NADCA的專家和Case Western Reserve 大學教授的工作)作一定描述。
   國內普遍認為, 熱疲勞發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,國外的相關文獻敘述得十分明確:模具的損壞和限制模具壽命上升的三個機制為:1)液態金屬鋁的粘焊(soldering)和化學沖蝕損傷。2)磨損和腐蝕。3)熱疲勞開裂。其中1)是最重要的失效機制。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。國內有關鋁熔損的試驗指出,當模具材料硬度為45HRC時,未表面處理的鋁熔損率高達54.90%時,當采用鹽浴硫氮碳共滲,其熔損率僅為0.10%,當采用鹽浴氮碳共滲(軟氮化)后在加上PVD處理時,熔損率更明顯降低至0.10%。由此可見H13鋼的表面改性的效果十分明顯。
   解決H13鋼表面改性問題的最佳途徑是在模具材料表面涂覆硬膜,使其不被鋁合金熔液潤濕,同時涂覆的硬膜也賦予模具材料表面的腐蝕磨損抗力。HEF集團對汽車轉向操作系統的鋁合金工件壓鑄成型模具中的挺桿(38CDV5,相當于H13鋼)表面沉積3μm厚的CERTESS SD 涂層,其硬度可達4000~4500HV,使用溫度可達800℃,還可抗鋁合金的黏結,使用壽命提高至10萬次,是未進行沉積處理挺桿的6~7倍。
   對如何獲得這種不被液態金屬潤濕的硬質膜, Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等[8]提出多層優化涂膜的結構是:①先對H13模具基體進行表面改性,如采用鐵素體氮碳共滲或離子滲氮;②50~100nm的結合中間層(adhesion interlayer)如Ti或Cr;③調整基材和涂層之間由于壓鑄作業引起的熱殘余應力的中間過度層(intermediate graded layer),這可應用有限元模擬方法確定,他們舉例認為,這取決于所選的工作硬化層,當工作層選用Al2O3層時,這中間過渡層為Ti-Al-N梯度層;④工作涂層,與液態金屬或玻璃不相潤濕(non wetting), 對Al合金壓鑄,可采用CrN,TiAlN,TiCB和Al2O3等。相應多層結構膜總厚在5~8μm之間。
   在模具工件上通過PVD技術獲得優異質量的涂層, 應該依賴于高性能的設備和能優化選擇的工藝參數。這種設備最好具有下述技術要求:①涂覆處理溫度低;②繞涂性好;③涂層沉積均勻;④采用增強離化率技術;⑤精確的涂層成分控制;⑥一定的沉積速率;⑦能進行多層復合涂;⑧能得到納米結構的涂層;⑨具有PVD和CVD的工作模式;⑩能邊涂覆邊刻蝕,獲得最佳的涂層質量。
   法國HEF集團發展并應用等離子體增強磁控濺射(PEMSTM)技術對涂層的沉積過程進行精確的控制。應用PEMSTM技術可以達到涂層最高理論密度。HEF集團真空涂層設備和技術因此在世界上處于領先地位。概括地說,HEF的設備和技術的主要優勢在于:
1) 可以獨立地對離子的流量和能量進行控制,從而得到最高密度和性能的涂層;
2) 采用獨特的OES系統對等離子體波長進行測量,實現涂層成分的精確控制;
3) 獲得的所有硬質涂層都具有納米級(≤20nm)結構;
4) 低電壓、高真空度環境下均勻的轟擊,可以極大地減弱尖角效應;
5) 在抽真空的同時進行加熱,充分迅速地去除水分,獲得優質、高效的沉積效果;
6) 最低處理溫度可達到80℃,可用于對幾乎所有材料,包括鋁合金和聚合物材料進行涂層加工;
7) 一臺設備同時擁有PVD和PACVD加工模式,給客戶的技術升級以充分的支持。
   法國HEF集團通過艾福表面處理技術(上海)有限公司已在上海舍福表面處理技術有限公司(上海松江)投資引入兩種系列的PVD/PACVD設備,現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)技術或Tufftride/ Tenifer(由其2001年并入HEF集團的德國子公司Durferrit提供)。相關
介紹可參見本期廣告及《模具工程》今年第四期論文。
3 結束語
1) H13鋼是世界上普遍使用的強韌兼具的熱作模具鋼,具有高的淬透性和抗熱裂能力。很多場合應用于制造鋁合金壓鑄模具。
2) H13鋼的國內牌號為4Cr5M0SiVl,現在正在向低Si高M0方向發展。
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, 更為優越的辦法是這些方法進行合理組合。

點擊:7133 次 發布時間:2008/4/15
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