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山阳特钢压铸金属模用钢的特性

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-06-13  浏览次数:246
核心提示:近年,为了降低汽车燃费,实现电子设备的小型化、多功能化,增加了重量轻、电磁波屏蔽性、散热性、再循环性优良的Al合金及Mg合金在车体和框架中

近年,为了降低汽车燃费,实现电子设备的小型化、多功能化,增加了重量轻、电磁波屏蔽性、散热性、再循环性优良的Al合金及Mg合金在车体和框架中的应用。这类产品主要采用压铸的方法制造。所谓压铸,就是将熔融或半凝固状的金属以高速高压注入金属模中迅速凝固成形的具有高生产率的生产工艺。为了制造更薄壁、复杂形状的产品和更均质的精密产品,一直在开发各种各样的特殊压铸方法。随着压铸技术的持续进步,与金属模相关的负载也在增大,从而出现了使用原来的标准高温工模具钢JIS SKD61难以满足要求的情况。因此,各材料厂家进行了更高品质钢种的开发。

金属模的寿命一旦突然变短,到寿命终点的期限不能保证,相关的制作计划就难以完成,故一直要求金属模具有稳定的特性。为此,通过在其制造过程中降低杂质含量、非金属夹杂物及偏析、改善锻压方法等,以提高韧性,减少各向异性等,从而实现质量的稳定,使通用标准材的质量波动比原来有了大幅度改善,这对模具使用寿命的稳定化起到了积极的作用。

在此背景中,在海外为了获得压铸金属模的稳定寿命而制定了相关标准,例如由北美压铸协会确定的质量标准(以下简称NADCA标准)。

1 NADCA标准

在NADCA标准中,根据化学成分的不同及是否有二次精炼,规定了A级- F级等6个等级的钢种,见表1。另外,除化学成分以外,还分别对材料下述品质制定了标准。

1)退火状态的硬度(HBW);

2)夹杂物纯净度(ASTM E45,A法);

3)超声波探伤试验(ASTM A681 S1.1);

4) 晶 粒 度(ASTM E112M);

5)退火组织状态;

6)显微偏析程度;

7)夏比冲击试验(2mm V形缺口)。

另外,对于源自淬火回火处理时的质量项目和方法、淬火回火后的显微组织状态也进行了规定,并设定了标准。

2 山阳特钢的压铸金属模用钢特点

山阳特钢公司以SKD61为基础自主开发了压铸模具用钢系列产品,下面一边对照上述的NADCA标准一边介绍所开发各钢种的特性。

图1表示山阳特钢开发的压铸用钢系列钢种(在高温强度和韧性的定性直角坐标体系中)所处位置。压铸用钢系列由QD61、QD61-R、Q D X - H A R M O T E X、QDN1-R、QDN、QDH、QDZ七个钢种组成,系列内的QD61、QD61-R、QDXHARMOTEX、QDN1-R、QDN符合NADCA确定的成分范围或者类似钢种。并且,各钢种都是适合每个级别确定的显微组织和夏比标准等材料品质的钢种。

1) QD61(优质H13型)

一般的SKD61有时因显

微和退火组织的波动不能获得稳定的特性。对于QD61钢,除了有本公司的高纯净钢熔炼技术之外,还应用了热处理技术,实现了品质的高稳定性(相当于NADCA A级标准)。

2) QD61-R(高品质H13型)

QD61-R是QD61钢在二次熔炼中采用了ESR(即电渣重熔工艺)的钢种,因进一步提高了钢的纯净度,还减少了偏析从而提高了均质性,故比原来的QD61有更高的韧性(相当于NADCA B级标准)。

3) QDX-HARMOTEX(高强度高韧性型)

此钢为改善了SKD61的韧性和高温强度两方面性能的钢种,具有优良耐热裂性。且因是使用ESR二次精炼的钢种,故均质性优良(相当于NADCA C级标准)。

4) QDN1-R(高韧性型)

此钢是韧性大大超过原来的SKD61和兼具相同程度高温强度的高温工具钢,适于制作压铸金属模和套管(已登记为NADCA E级)。

5) QDN(高韧性型)

QDN是淬透性比SKD61高,且韧性、耐热裂性及耐Al熔损性优良的钢种。一般这种材质的金属模性能良好,即使做成较大型的金属模也能获得稳定的特性(其成分类似于NADCA F级标准,特性符合F级标准)。

6) QDH(高强度型)

QDH除具有原SKD61级的优良韧性外,还与3Cr-3Mo钢(SKD7)有同样的高温拉伸强度和回火稳定性,属高性能高温压铸模具钢,适用于压铸铝的精密模具和高SiAl压铸模具等非常载荷的情况。

7) QHZ(高强度、高韧性、高速工具钢)

QHZ是高速钢,除了具有SKH51级的高强度外,还由于碳化物的细化和M(基体组织)的改善而兼具优良韧性。因其高温强度高, 耐Al损性优良,故适用于压铸套管等和高SiAl压铸金属模具。

3 压铸金属模用钢的材料特性

3.1 淬火回火硬度特性

由各钢种淬火回火硬度特性的数据和曲线可知,无论是何钢种(共有6个),都可通过回火条件的调整而获得压铸金属模的45-48HRC区域硬度。另外,高强度型的QHZ钢有必要较其他钢种有更高的淬火温度。

3.2 韧性

按NADCA标准(冲击试样硬度为45HRC、在T方向L面加工成2mm V形缺口)进行夏比冲击试验的结果是,由于对钢的合金成分与制造条件进行了最佳化,所以各钢种都具有超过NADCA标准规定的平均值下限和最小值下限的冲击韧性。

图2表示QDH和QHZ的冲击特性。QDH与QD61有同等的韧性。在韧性高的条件下,可以期待抑制金属模的角裂和大裂纹的产生。

3.3 高温拉伸强度

研究了各钢种600℃的拉伸强度,结果是, QDXHRRMOEX和QDH比QD61具有更高的拉伸强度。且QHZ虽然硬度不同,但却有优良的高温拉伸特性。在高温强度高的条件下,因熔融液的压力作用,就能抑制金属模变形和热裂纹的发生,从而可以期待减少模具因修补和更换而阻碍生产率提高的频次。

3.4 回火稳定性

研究了将调质为48HRC的各钢种模拟金属模使用时的热影响,加热至600℃保温时的硬度变化显示,QDH和QHZ加热10小时后硬度下降较其他几个钢种都小,具有非常优良的高温回火稳定性。因此,即使将之作为压铸模长期使用时,也很难因软化而产生磨损、永久变形,并因能抑制热裂而可期其长寿命化。

3.5 导热系数

研究了各钢种的导热系数,结果显示,QDXHARMOTEX及QDN1-R有优良的导热系数,且QDN、QDH的导热系数也比QD61的高。导热系数是与模具冷却性能相关的物理特性,其值越高,模具冷却得就越快,也就越有抑制模具热负荷的效果。

4 耐热裂性评价

对实际压铸模上产生的损伤虽有热裂、熔损和烧结等,但影响模具寿命最严重的是热裂。热裂是因压铸使模具表面被金属液加热,成形后又被冷却,使之产生热疲劳和软化,从而在其表层发生裂纹的现象。因此,针对各钢种的金属模进行了发生热疲劳的模拟试验。具体而言,就是在试样表面用高频加热(600℃保持5s)和水冷(50s)反复进行1000个周期,因热疲劳而在试样一面产生了热裂纹。以观察这些裂纹的最大深度,以及视野内龟裂平均深度,评价各钢种的耐热裂性。

耐热裂性的试验结果是,与QD61相比,其他5个钢种的平均热裂深度和最大热裂深度都变浅了,特别是QDXHARMOTEX和QHZ的最大裂纹和平均裂纹深度都减低至QD61的1/2以下。因此,在金属压铸模具上采用以上2种钢材,就可以抑制热裂纹的产生,使之变少变浅。

5 结语

山阳特钢的金属压铸模具用钢系列产品,是为了在压铸领域应对模具使用环境的苛刻化而开发的高质量高性能钢种群。为了满足用户需求,需开发更多的更高性能和更高质量的产品。

 
关键词: 特性 金属
 
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