1. 壓鑄模具和H13

　　國內(nèi)有色金屬壓鑄模具普遍采用H13熱作模具鋼鼓拧。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侦萍。

　　作為有色金屬的壓鑄模具用鋼一般應(yīng)具有下述條件：（1）具有較高的淬透性转甥，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眷幢，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展澎矗，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酒舶，使模具保持一定的高溫強度和尺寸穩(wěn)定性标晤；（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)金屬的熔損來表征宇赁。要達到這些兼具高溫強度和高韌度要求蕴轩，又有較高的高溫硬度和抗磨損能力，主要由鋼的化學(xué)成分決定凳嘁，一般采用中碳含量（0.35～0.45％）和含Cr搁突、W、M0和V等合金元素,合金元素總量在6~25%范圍只磷。

　　在美國经磅，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钮追，全部以H命名预厌。分別為H10～H19,H21~H26,和H42阿迈、H43。用于Al合金壓鑄模的鋼種轧叽，目前很普遍采用H13鋼苗沧，它屬于第一種。國內(nèi)鋼號為4Cr5M0SiVl炭晒。以前國內(nèi)采用較多的3Cr2W8V鋼的熱疲勞性和韌度顯得不足待逞。

　　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网严。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）％识樱。德國DIN17350 X40CrM0V5-1和WNr1. 2344鋼的含碳量為（0.37～0.43）％，含碳范圍較窄屿笼。北美壓鑄協(xié)會標準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强剥，所以該鋼在空冷條件下能夠淬硬担擦。在6 barN2氣體真空處理條件下可淬透直徑為160mm。但鉻的加入會增加碳化物的不均勻程度拟晋，致使鋼中會出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物雕残，這種碳化物現(xiàn)在國內(nèi)一般可用高碳鉻軸承鋼相關(guān)標準予以評定。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強度蛇狐，但對韌度不利榛湖。材料中增加鉬和鎢，有人提出腿宛，（1/2W+M0）的量至1％以上時巫邻，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顶山。H13鋼的二次硬化能力不很明顯溺察，可參見資料[1]。提高V的含量刨塔，如V的量由0.4％（SKD6,相當于H11）提高至1%矫评，使H13鋼（SKD61）的熱強度和熱穩(wěn)定性提高了，同時V也增加水沖洗抗力您旁，實際上是提高水浸侵蝕磨損抗力（erosive wear）烙常。

　　另外，鋼中加入W鹤盒、M0蚕脏、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素侦锯，能對奧氏體晶粒細化蝗锥，也使溶入奧氏體后在回火過程中產(chǎn)生二次硬化效果跃洛。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终议，（全部溶入奧氏體的溫度是1160℃）汇竭，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％穴张，只有H19鋼含Si量為0.20～0.50％细燎。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皂甘，直至800℃（1475℉）玻驻。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?0的第二階段進行哪峰，（發(fā)展第一階段是提高H13鋼的材質(zhì)和熱處理水平）冷吏。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守搬；減少凝固時液/固界面上成分過冷些惑，改善結(jié)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杰趾；延緩鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變鲸锻。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％）稀销、Si（0.05～0.30）鸡捉、Cr（4.9～5.5%）、M0（2.0～3.5％）和V（0.50～1.20％）栗绝。相應(yīng)低Si高M0的德國鋼號為1.2367甚岩，其成分為C 0.40％， Si 0.40％涕瘸，Cr 4.95％玫氢， M03.0％和V0.9％。 M0的量提高至3.0％谜诫，則使鋼的淬透性提高漾峡，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喻旷；提高高溫強度和高溫蠕變強度生逸；提高抗熱裂能力。關(guān)于延緩貝氏體轉(zhuǎn)變且预，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70％和40%槽袄， 而對低Si高M0SKD61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％）遍尺，Si的量為≤0.60％截酷， 其性能優(yōu)良的一個原因也應(yīng)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(shè)計的合理性乾戏，模具材料選擇正確性迂苛，模具機械加工和熱處理工藝的合理正確制訂，當然還應(yīng)涉及模具的使用條件和維護鼓择。其中模具材料的質(zhì)量和熱處理是相當重要的關(guān)鍵因素甘虑。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)的標準主要有北美壓鑄協(xié)會標準的讯、法國汽車工業(yè)會匪笨、德國鋼鐵協(xié)會、材料協(xié)會和壓鑄協(xié)會的標準某现，還有通用汽車匙桦、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宋睦，我們將另有專論阁陌。

　　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)外在這兩方面進行的研究論文有了發(fā)表浮两， 但具體工業(yè)應(yīng)用報導(dǎo)不多损螃。專門從事材料表面改性技術(shù)的法國HEF集團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)用的實例筋悴，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（尤其是NADCA的專家和Case Western Reserve 大學(xué)教授的工作）作一定描述俩食。

　　國內(nèi)普遍認為， 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暖悦。這方面菊碟，國外的相關(guān)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(tài)金屬鋁的粘焊（soldering）和化學(xué)沖蝕損傷。2)磨損和腐蝕在刺。3)熱疲勞開裂逆害。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蚣驼。國內(nèi)有關(guān)鋁熔損的試驗指出魄幕，當模具材料硬度為45HRC時，未表面處理的鋁熔損率高達54.90％時颖杏，當采用鹽浴硫氮碳共滲纯陨，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處理時留储，熔損率更明顯降低至0.10％翼抠。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获讳，使其不被鋁合金熔液潤濕阴颖，同時涂覆的硬膜也賦予模具材料表面的腐蝕磨損抗力活喊。HEF集團對汽車轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)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 涂層孽衩，其硬度可達4000～4500HV箫俯，使用溫度可達800℃，還可抗鋁合金的黏結(jié)骑失，使用壽命提高至10萬次软雹，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(tài)金屬潤濕的硬質(zhì)膜荞扒， Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等[8]提出多層優(yōu)化涂膜的結(jié)構(gòu)是：①先對H13模具基體進行表面改性丙煞，如采用鐵素體氮碳共滲或離子滲氮；②50～100nm的結(jié)合中間層（adhesion interlayer）如Ti或Cr窟蝌；③調(diào)整基材和涂層之間由于壓鑄作業(yè)引起的熱殘余應(yīng)力的中間過度層（intermediate graded layer）钢陨，這可應(yīng)用有限元模擬方法確定，他們舉例認為锉潜，這取決于所選的工作硬化層材圈，當工作層選用Al2O3層時，這中間過渡層為Ti－Al－N梯度層摹色；④工作涂層三稿，與液態(tài)金屬或玻璃不相潤濕（non wetting）， 對Al合金壓鑄沛慢，可采用CrN赡若，TiAlN，TiCB和Al2O3等团甲。相應(yīng)多層結(jié)構(gòu)膜總厚在5～8μm之間逾冬。

　　在模具工件上通過PVD技術(shù)獲得優(yōu)異質(zhì)量的涂層， 應(yīng)該依賴于高性能的設(shè)備和能優(yōu)化選擇的工藝參數(shù)躺苦。這種設(shè)備最好具有下述技術(shù)要求：①涂覆處理溫度低身腻；②繞涂性好；③涂層沉積均勻匹厘；④采用增強離化率技術(shù)嘀趟；⑤精確的涂層成分控制；⑥一定的沉積速率愈诚；⑦能進行多層復(fù)合涂她按；⑧能得到納米結(jié)構(gòu)的涂層；⑨具有PVD和CVD的工作模式扰路；⑩能邊涂覆邊刻蝕尤溜，獲得最佳的涂層質(zhì)量。

　　法國HEF集團發(fā)展并應(yīng)用等離子體增強磁控濺射（PEMSTM）技術(shù)對涂層的沉積過程進行精確的控制。應(yīng)用PEMSTM技術(shù)可以達到涂層最高理論密度篇惧。HEF集團真空涂層設(shè)備和技術(shù)因此在世界上處于領(lǐng)先地位胖移。概括地說，HEF的設(shè)備和技術(shù)的主要優(yōu)勢在于：

　　1) 可以獨立地對離子的流量和能量進行控制蔫婉，從而得到最高密度和性能的涂層鞠撑；

　　2) 采用獨特的OES系統(tǒng)對等離子體波長進行測量，實現(xiàn)涂層成分的精確控制孕赫；

　　3) 獲得的所有硬質(zhì)涂層都具有納米級（≤20nm）結(jié)構(gòu)还幅；

　　4) 低電壓、高真空度環(huán)境下均勻的轟擊玉惫，可以極大地減弱尖角效應(yīng)挠氛；

　　5) 在抽真空的同時進行加熱，充分迅速地去除水分计灌，獲得優(yōu)質(zhì)淡榕、高效的沉積效果；

　　6) 最低處理溫度可達到80℃钟牛，可用于對幾乎所有材料允悦，包括鋁合金和聚合物材料進行涂層加工；

　　7) 一臺設(shè)備同時擁有PVD和PACVD加工模式虑啤，給客戶的技術(shù)升級以充分的支持隙弛。

　　法國HEF集團通過艾福表面處理技術(shù)（上海）有限公司已在上海舍福表面處理技術(shù)有限公司（上海松江）投資引入兩種系列的PVD/PACVD設(shè)備，現(xiàn)在能涂覆的硬膜涂層主要有CrN狞山、CrxNY全闷、TiN、TiBN铣墨、TiCN室埋、TiALN和類金剛石DLC膜办绝，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伊约，稱作為Sursulf/Arcor（舍舍夫/阿可）技術(shù)或Tufftride/ Tenifer（由其2001年并入HEF集團的德國子公司Durferrit提供）。

　　3 結(jié)束語

　　1) H13鋼是世界上普遍使用的強韌兼具的熱作模具鋼孕蝉，具有高的淬透性和抗熱裂能力屡律。很多場合應(yīng)用于制造鋁合金壓鑄模具。

　　2) H13鋼的國內(nèi)牌號為4Cr5M0SiVl降淮，現(xiàn)在正在向低Si高M0方向發(fā)展超埋。

　　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(yōu)越的辦法是這些方法進行合理組合铝三。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)淑免，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議暑礼。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布疚线、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺硅拆，不為其版權(quán)負責(zé)背渤。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片栗衍、文字如涉及作品版權(quán)問題熊骆，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容丽阎，以保證您的權(quán)益纳倚！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。