新型热作模具钢QRO 90 SUPREME的研发过程及历史背景

为了提高模具寿命、降低维修费用及缩短成型周期以提高生产效率，目前全世界的压铸工作者正在紧张地从事与模具问题有关的工作。从技术的复杂程度来看，这些要素包括模具设计、模具维修、模具工作条件等方面。经验表明，模具材料本身在这些要素中起到了一个重要的作用。
本文总结了Uddeholm工模具钢公司某些关键因素的研究经验，这些因素限制了模具寿命，或造成模具的过多维修。本文讨论了起关键作用的模具材料性能对这些因素的重大影响，并说明了优质模具钢的重要性。同时也讨论了模具材料在缩短加工周期方面的作用，以及一种能发挥有利作用的新型模具钢。东莞市弘超模具科技有限公司专业销售瑞典UDDEHOLM工具钢以及其他高品质模具钢材（瑞典一胜百模具钢、日本大同模具钢、德国葛利兹模具钢、日立模具钢以及国产新型模具钢、基体钢、无磁模具钢、火焰淬火钢等），提供原产地材质证明书，咨询热线：0769-82621066。
关键因素：在压铸铝和黄铜中，模腔中的某些现象被认为是对模具寿命和模具维修具有决定性作用的。这些最重要的因素是热裂纹、微裂纹、腐蚀和塑性变形。由于过去几年的深入研究，获得了对这些现象的较深刻了解，它表明了模具材料的某些性能是极为重要的，如表1所示。
表1 在铝和黄铜压铸中与模具有关的关键因素及模具材料的相应性能
与模具有关的关键因素    模具材料的关键性能
●热裂纹                             热强度(热硬性)、耐热性、韧性/延性、热膨胀性、导热性；
●微裂纹                             韧性/廷性；
●腐蚀                                 热强度(热硬性)、耐化学性；
●塑性变形                         热强度(热硬性)、抗回火性；
生产率因素                       关键性能
●注射周期                        导热性
热裂纹是一种由热循环引起的热机械疲劳过程，该过程在模腔表面产生周期性的应力和应变。其典型的损坏形式是网状细裂纹的不断扩展，热裂纹被认为是常规模具的寿命限制因素。高热强度及高耐热性-高温时的抗软化性，被认为是获得高抗热裂纹性的摸具材料最重要的机械性能。

另一方面，高韧性/延性也显示出所起到的有利作用。在模具材料的物理性能中，低热膨胀性且高导热性对抗热裂纹性是最根本的。
由于机械或热过载，微裂纹是模具毁坏性裂纹。这种现象会突然发生，在不同程度上完全毁坏模具。实际上幸运的是，微裂纹比较少见，由于其突变性及后果的严重性，必须予以避免。模具材料的高韧性/延性对提高抗热裂纹性，特别对大型模具是很重要的。
腐蚀是一种复杂现象，包括化学和机械磨损过程。它首先产生在模具的暴露零件上，如浇道部分，需进行特殊维修。除了对熔化金属具有良好的耐化学性外，模具材料高的热强度对抗腐蚀来说也是一种重要性能。
塑性变形-型腔中的凹痕，首先对于实际机械应变来说，是热强度不足而引起的。模具材料中的高热强度和高耐热性，对避免该问该是极端重要的。
缩短成型周期：迄今为止，讨论仅集中于模具寿命和维修问题。但是通过对成型周期提供各种可能性，模具材料对生产率有着直接的影响。当模具处于闭合状态，注射周期主要取决于铸件的固化和冷却。在每次注射时，固化热量和铸件中的绝大部分热量在开模前必须传递出去。这种热量的转移必须通过模具来进行。同时，控制因素是模具材料中的热传导，这种热传导除了几何尺寸因素外，取决于材料本身的导热性。
因此，模具材料的导热性使潜在的成型周期有了一个确定的极限。导热性越高，缩短成型周期的可能性也越大，从而提高了生产率。这样，压铸铝和黄铜，理想的模具材料或钢材必须具有以下主要性能：
⒈高热强度(热硬性)；⒉高耐热性；⒊高韧性/延性；⒋低热膨胀性；⒌高导热性。
优质H13钢的研制：多年来，H13热作模具钢已成为压铸模的最主要材料。它基本上具有上述各点特性，能满足压铸的需要。近几年来，商用H13(UDDEHOLM ORVAR SUPREME)钢的质量逐步得到改善，因此提高了模具工作性能和安全性。最新的进展是引进几年前称之为优质的H13钢。目前，大多数压铸工作者熟悉了两种不同的H1 3钢(优质和标准)的质量及两者之间差别的重要性。
一个有趣的问题是，关于上述关键因素和性能，究竟改进了多少?从根本上来说，它仍然具有相同的合金元素成分。但是由于在钢的冶炼过程中进行了很大的改进和专门开发了工艺，使其质量得到很大的改进。这样，包括电渣重熔、特殊热加工工艺和多次热处理的特殊冶金处理，使得该优质材料能去除夹渣、杂质、甚至对大尺寸钢坯在偏析和显微组织方面也能做到极端的均匀一致。
这就意味着与标准的H13钢相比，其潜在的韧性/延性有了重要的改善，甚至在大型坯料中心也这样，其机械性能更具有各向同性的特点。优质H13钢仅仅只改善了最关键的一个性能。如表l所示，改善韧性减少了微裂纹的产生，并提高了抗热裂纹的能力，这是因为韧性较高的钢能以较高的工作硬度被使用。这表明与标准H13钢相比，优质H13钢将大大地提高模具寿命，并使模具更安全。Uddeholm公司的经验认为模具的平均寿命可提高25%。
近几年来，这种开发伴随着人们对模具热处理兴趣的不断增加，已初步开展了对H13材料“优质热处理”的研究。
由于优质H13钢的开发已完全商品化，H13钢的合金成分的整个潜在能力可能已被认识。为了进一步对模具钢进行开发，必须提高其他关键性能。这多半只有通过研制新型合金成分才能完成。
新型优质模具钢：习惯上开发优质压铸模钢的途径是研制更高合金化的钢。这显然对有些性能的提高是有利的，但是在大多数情况下，增加合金元素成分意味着韧性较差，而且导热性也较低。例如：在七十年代初，高合金马氏体时效钢是加工压铸模最有希望的材料，但是其导热性比H13钢低得多，对于缩短成形周期，无疑是一种缺点。
近来Uddeholm公司按照相反的途径，在开发优质模具钢方面下了一番功夫，旨在研制一种比优质H13钢更优越的具有完美性能的新型钢种，目前已以新型优质模具钢-超级QRO 90的形式进行商品化开发。QRO 90 SUPREME钢在纯度、显微组织的均匀性、韧性/延性方面与优质的H13钢不分上下。另一方面，其具有最佳合金元素平衡的新合金成分，与优质H13钢相比，在其他重要性能上得到改善。
新合金是一种铬钼钒热加工模具钢，其基本成分为(重量百分比)：
 C   Si  Mn  Cr  Mo  V
0.4 0.3 0.8 2.6 2.3 0.9
并添加了其他微量合金元素。以下是超级QRO 90钢与优质H13钢的简要比较。
热强度：测定该性能的最简单方法是在高温下进行拉伸试验，并测量其屈服极限。参照经淬火和回火到相同室温硬度HRC45条件下的拉伸强度与试验温度的关系曲线图可知，在同样初始室温硬度情况下，新合金的热屈服强度(热硬度也如此) 大大高于优质H13钢。在1200F时，其差值达60%之多。
耐热性：该性能表示模具在使用中承受高温情况下抵抗逐渐软化的能力。新合金的耐热性比优质H13钢高得多，其差值在较高的温度下更为显著。
韧性：该性能可用许多不同的方法来测定。近来，以无缺口冲击试验作为测定实际该类材料的棒料直径，特别是这种各向同性的韧性和延性的关键试验越来越被人们广泛地接受。图3为这种试验的典型结果，新型优质钢的韧性和其各向同性程度与高级优质H13材料相比毫不逊色，甚至在大尺寸棒材的芯部也如此。

超级QRO 90 L-纵向，T-横向，S-厚度方向
图3：经淬火和回火到HRC45后的无缺口冲击试验(试样10×7mm)，棒材中心位置(24×5in)

图4：淬火和回火条件下(HRC47)，在100~1200F温度范围内的热导率
热膨胀性：对钢来说，该物理性能不受合金成分的影响。这样，具有体心立方晶格结构，包括优质H13钢和超级QRO 90钢的所有钢合金的热膨胀系数与钢相同或接近，只有具有面心立方晶格结构的奥氏体钢，如不锈钢的热膨胀系数变化很大。但在实际上使用错了，是用了较大的一个。
导热性：与热膨胀性相反，该物理性能受合金成分的影响很大。这样一般对钢来说，随着整个合金元素的原子浓度的增加，导热性逐渐降低。事实上新合金的合金元素的总原子浓度低得多，这导致在目前有意义的整个温度范围内导热性显著提高(大约20)，如图4所示。
结论：
新型超级QRO 90钢与优质H13钢相比，有以下优点：
⒈较高的热强度和热硬性；⒉较高的耐热性；⒊同样好的韧性和延性；⒋同样低的热膨胀性；⒌较高的导热性。
当涉及有关关键因素讨论时(见表1)。显然这些优点对所有这些因素起到积极的作用。例如，与优质H13钢相比，关于热裂纹问题的模具寿命可望得到显著的提高。同时也具有缩短成形周期的某些新的可能性。
因此，采用新型Uddeholm合金，可以进行昂贵的热裂纹试验(在室温与1380F之间的温度循环中的抗裂纹性能，每次循环之间采用快速空冷，初始条件：淬火与回火到HRC47)，其抗热裂纹性比优质H13钢有着显著的提高。
当然，评定新型模具材料性能的唯一可靠方法是进行压铸现场试验。至今为止还没有这种可用于QRO 90钢结果。根据普通的原型QRO 80M的铝压铸现场试验结果与H13钢相比较的现场经验表明，对于铝压铸来说，其寿命为优质H13钢的两倍(或超过)。由于这种新型钢种具有显著的优点，估计将有更大的提高。
就铝压铸来说，QRO 90钢的优越性能，使它在长期工作模具和热裂纹问题严重的模具，甚至在大型模具中将成为最强有力的候选钢种。另一方面，在黄铜压铸中，一般可推荐超级QRO90钢来作为模具材料。
最后值得强调的是，新合金能够用标准和优质的H13钢所采用的相同方法进行热处理，甚至能用相同的奥氏体化温度。这就意味着任何进一步为H13钢而开发的优质热处理工艺也能适用于QRO 90钢。

参考文献：《Die Casting Engineer》1988.2  [瑞典] Lars Ake Notstr6m等。

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