12. 压铸用进口新模具材料QDX-HARMOTEX介绍
压铸用进口新模具材料QDX-HARMOTEX?介绍
李实1, 堀信弘2, 田中博之2
（1.上海博优模具材料有限公司，中国上海；2.山阳特殊制钢株式会社）
摘要：本文介绍了压铸用进口新模具材料QDX-HARMOTEX ?。压铸应用对模具材料的要求极高，既需要模具材料具有高韧性以避免龟裂纹的产生与发展，也需要材料具有极其优良的耐高温性能。由于汽车等行业的迅猛发展，对大尺寸模具材料的要求也越来越高。QDX-HARMOTEX?是低硅高钼材料。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，使得此材料在显微组织优化方面，韧性方面，淬透性方面，耐高温回火方面，耐龟裂纹方面的诸多性能均较通常使用的进口AISI PGH13材料有较大的提高，能够有效地延长模具寿命。
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以典型的AISI H13材料为基础，在其成分上调整后的含低硅元素和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，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?是日本山阳特殊钢研发出的具有良好耐高温性能与良好韧性兼具的新模具材料。它相当于北美压铸学会（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、纯净钢、显微组织，以及相应的应用性能进行介绍。
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
合金元素变化韧性抗热疲劳性能
C含量在0.30%～0.45%范围增加时下降下降
Cr含量在4%～7%范围增加时提高下降
Mo含量在0～1.5%范围增加时提高提高
V含量在0.4%～1.5%范围下降时提高提高
Si含量在0～1.5%范围下降时提高提高
Mn含量在0～0.6%范围增加时提高下降
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1.4%～3.0%之间[5]。而碳、钒元素的含量则有所下降。
QDX-HARMOTEX?对碳、钼、硅和钒元素进行了调整。
2 高纯净钢
QDX-HARMOTEX?材料的冶炼工艺采用的是电炉熔炼（EAF），然后采用炉外精炼加RH真空脱气。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、复合氧化物均达到北美压铸学会（NADCA）规定的范围内。
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，模材的各向同性（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。
图1 QDX-HARMOTEX?的退火金相组织（×500）
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℃保温30min后空冷然后测不同温度下的回火硬度得出回火曲线。可以看出，QDX-HARMOTEX?材料在600度以上的温度回火时其硬度随着温度提高的下降明显较H13材料要慢。
图2 新材料与H13材料的回火特性曲线对比
5 高温抗软化性能
图3 是QDX-HARMOTEX?材料在600℃高温长时间保温时硬度的变化与H13材料的对比。两种材料初始硬度在44－46HRC，在600℃下保温不同时间空冷后测量硬度。可以看出，QDX-HARMOTEX?在保温30h后的硬度下降值比H13的要少，说明QDX-HARMOTEX?材料的高温抗软化性能更加优越。
图3 新材料与H13材料在600℃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材料的韧性有50％以上的提高。
图4 新材料的韧性与H 13 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（板材横截面尺寸为325×725mm）。
图5 QDX-HARMOTEX?材料的淬火－回火组织(×500)
8 连续冷却曲线
QDX-HARMOTEX?材料的CCT连续冷却曲线如图6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有很大的提高。新材料更加适合于大尺寸的模具使用。
图6 QDX-HARMOTEX?材料的CCT曲线
9 耐龟裂纹性能
耐龟裂纹试验是采用直径40mm直径的圆棒在固定速度下旋转，感应加热到600℃后保温5s然后水冷50s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?材料与H13材料相比，裂纹深度明显小而且裂纹的数量也少，如图7所示。
QDX-HARMOTEX?材料
H13材料
图7 QDX-HARMOTEX?材料与H13材料耐龟裂纹性能对比试验结果
结论
进口新材料QDX-HARMOTEX?是H13 改良材料。新材料在纯净度、显微组织等诸多性能方面达到了NADCA的技术标准要求，而且具有更加优良的耐高温回火性能和抗软化性能，其优良的韧性能够克服龟裂纹的延展。新材料的淬透性有很大的提高，适合于大型模具的使用。耐龟裂纹试验证明新材料具有优良的耐龟裂纹性能，在实际压铸使用中能够有效地延长模具寿命。
参考文献:
[1] 日原政彦，ダイカスト用金型の寿命对策，日刊工业新闻社，2003年2月28日第一版, PP45-62
[2] NADCA Specification: Premium and superior quality H13 steel and heat treatment acceptance criteria for pressure die casting dies, NADCA #207-2011
[3] 热间用金型の寿命对策，型技术协会热间金型の寿命改善委员会编，日刊工业新闻社，2001年7
月26日第一版，PP42-46
[4] 藤井利光, 松田幸记. 热间工具钢の被削性にぉょぼすSi量の影响[J]. CAMP-ISIJ, 1999, 12: 1177.
[5] 田部博辅，型材入门，日刊工业新闻社，2006年7月30日第一版, PP57-85
[6] 崔崑. 国内外模具用钢发展概况[C]//第四届中国热处理活动周，南京，2006年