H13鋼壓鑄模具的表面PVD改性介紹

來源：    作者：    發(fā)表時間：2010-01-30 14:38:33   

1,、壓鑄模具和H13
國內(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,，熱處理時可采用冷卻強度較小的介質(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，國內(nèi)以熔化液態(tài)金屬的熔損來表征。要達(dá)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(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,，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。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(nèi)鋼號為4Cr5M0SiVl,。以前國內(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AISI H13,，UNS T20813,， ASTMA681(最新版)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,。北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NADCA 207-90中對中高級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,。但鉻的加入會增加碳化物的不均勻程度，致使鋼中會出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物,，這種碳化物現(xiàn)在國內(nèi)一般可用高碳鉻軸承鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以評定,。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，（1/2W+M0）的量至1％以上時，會使材料500℃以上進(jìn)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,。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）的熱強度和熱穩(wěn)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）,。
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(xì)化,，也使溶入奧氏體后在回火過程中產(chǎn)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(nèi)。
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(jìn)鋼的高溫抗氧化能力,，直至800℃（1475℉）,。但Si有損于韌度提高。現(xiàn)在H13鋼的發(fā)展正在向低Si高M(jìn)¬0的第二階段進(jìn)行,，（發(fā)展第一階段是提高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(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,。同時增加M0的量至3％左右，日本低Si高M(jìn)0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M(jìn)0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(zhuǎn)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(guān)于延緩貝氏體轉(zhuǎn)變，有資料報導(dǎo)：對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%,， 而對低Si高M(jìn)0SKD61鋼相應(yīng)僅有2％和1%,。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(yōu)良的一個原因也應(yīng)歸咎于低的Si高M(jìn)0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)會標(biāo)準(zhǔn),、法國汽車工業(yè)會、德國鋼鐵協(xié)會,、材料協(xié)會和壓鑄協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn),，還有通用汽車、福特汽車的推薦標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和（2）PVD涂層技術(shù),。國內(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)用報導(dǎo)不多,。專門從事材料表面改性技術(shù)的法國HEF集團(tuán)在一些國際性會議上以論文形式報導(dǎo)了H13鋼表面改性工業(yè)應(yīng)用的實例,，同時艾福表面處理技術(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）的實踐匯同國外的相關(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)熱疲勞開裂,。
其中1)是最重要的失效機(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,。國內(nèi)有關(guān)鋁熔損的試驗指出,，當(dāng)模具材料硬度為45HRC時，未表面處理的鋁熔損率高達(dá)54.90％時,，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,，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。