我國壓鑄模具鋼研究新進展

　　壓鑄模具設計復雜，加工成本高，在鎂鋁鋅等合金制品的成本中占有較高的比重，因此，要求模具有較長的使用壽命。而在壓鑄模具和整副壓鑄模的生產成本中，模具材料和熱處理的費用只占到10%～15%,但對模具的整體壽命卻起到了決定性的影響，是壓鑄成型工藝核心關鍵部件。

　　壓鑄模在工作時承受著復雜的交變載荷，型腔和高溫金屬直接接觸，反復的經受激冷激熱，工況極為惡劣，為了保證模具使用壽命，壓鑄模具鋼應具備較高的熱穩定性、高溫強度、耐磨性和淬透性以及優良的韌性、導熱性和耐熱疲勞性，同時兼備較好的切削加工性能。

　　進入21世紀，我國汽車、電子、家電、通訊、建筑等行業快速發展，為提高模具使用壽命和生產效率，國內許多模具材料生產廠家和模具制造商之間密切合作，根據模具使用環境和特性，在壓鑄模具鋼的新材料開發，生產工藝優化，材料檢測與評價體系等方面做了大量工作，并取得長足進步。整個行業對壓鑄模具鋼的需求向尺寸大型化、長壽命、專業化方向發展，要求模具材料具有低偏析、超潔凈、細晶組織、高等向性能和抗熱疲勞特性。

　　1 合金元素對壓鑄模具鋼性能影響的研究

　　20世紀80年代，模具鋼材料國產化引進美國材料協會標準(ASTM)牌號H13(UNS代碼521),依據我國鋼號命名規則，在GB/T1299-1985中命名牌號4CrMoSiV1,一直沿用至今。

　　為提高模具使用壽命，大冶特鋼最早開始對H13鋼進行夾雜物變形處理工藝試驗，在鋼中不計燒損加入0.05%RE,模具材料等向性能由78%提高到95%;將鋼中S含量控制到≤0.003%,模具使用壽命提高1.3倍以上。同時將新材料命名521,在華南市場一經推出就享有較高美譽度。

　　周菲等研究表明，加入Ce后，8418鋼(相當于GB/T1299-2014標準中4Cr5Mo2V)洛氏硬度HRC和KV2沖擊功分別提高17%和26%,微量Ce不僅可以提高8418鋼自腐蝕電位，還降低材料鈍化電流密度，從而提高8418鋼的耐腐蝕性。

　　鄧俊杰通過研究Mo含量對5%Cr系熱作模具鋼冷熱疲勞性能的影響，發現隨著Mo含量的升高，表面裂紋萌生數量減少，3.1%Mo試驗鋼表面裂紋最為稀疏，此階段硬度和回火穩定性起主要作用。

　　周青春對Si元素在H13熱作模具鋼中的作用進行研究發現，Si含量在0.6%～1.5%,隨著含量增加，能有效抑制鋼中合金滲碳體的析出，而主要以球狀或橢球狀M23C6碳化物沿馬氏體板條界或晶界析出和長大，鋼的抗熱疲勞性能顯著提高。

　　朱姣等人研究發現4Cr3SiWMoVNb鋼比4Cr5SiWMoVNb鋼具有更高的熱穩定性。經長時間回火保溫，含Cr較高的4Cr5SiWMoVNb鋼中的以含Cr為主的M23C6型等碳化物粗化速度較快，使材料硬度降低，這也是造成該鋼熱穩定較差的原因之一。

　　鄭銘達等人研究了V對H13壓鑄模具鋼相變特性的影響。隨著V元素含量的增加，淬火態硬度降低。這主要是因為隨著V元素含量的升高，鋼中形成了更多穩定的V系碳化物，從而降低了奧氏體化過程中溶入基體的碳含量，進而降低了過冷奧氏體的穩定性。

　　左鵬鵬等人針對N含量對4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼的熱穩定性和熱疲勞性的影響進行了研究。同等淬回火硬度條件下，隨著N含量的增加，硬度下降更快，碳化物粗化更明顯，熱穩定性能更差。因此，減少N含量有利于提高4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼的熱穩定性能，延長壓鑄模具使用壽命。

　　曾艷等通過研究Ni元素對新型壓鑄模具鋼熱穩定性的影響。Ni元素能夠顯著提高材料的淬透性，能夠阻礙碳化物向基體中溶解，未溶的碳化物顆粒在晶界處能有效阻止原始奧氏體的長大，從而使材料允許的淬火加熱溫度提高，加Ni鋼熱穩定性后期優于不加Ni鋼，總體硬度高于不加Ni鋼，提高材料熱強性。

　　鄧俊杰等人研究了Co元素對4Cr5Mo2V鋼組織和強韌性的影響。相同硬度條件下，4Cr5Mo2V-Co鋼具有更高的高溫強度，這是因為Co元素的添加促進了4Cr5Mo2V-Co鋼二次硬化碳化物的形核速率，并能降低碳化物的粗化速率，從而提高了4Cr5Mo2V-Co鋼的強度。

　　張宇等研究了Co和Ni對4Cr5Mo2V壓鑄模具鋼抗熱損傷性能的影響，含Ni鋼試塊輕微粘鋁，含Co鋼試塊粘鋁最少，說明含1% Co的4Cr5Mo2V鋼抗壓鑄鋁合金的熱損傷性能最好。

　　項少松等人研究W元素對DIEVAR熱作模具鋼熱穩定性的影響。發現W元素的添加使DIEVAR鋼的高溫硬度提高1～3HRC;明顯改善了600 ℃回火的穩定性;抑制了碳化物的析出和粗化。

　　近幾年，壓鑄模具鋼主要通過稀土化處理，提高材料的潔凈度;降低Mn、Si、Cr等主要合金元素含量，降低鋼的偏析，獲得高韌性和高熱導率;通過加入碳化物形成元素Mo、V使鋼得到二次硬化效果，高溫強度增加;加入Ni元素以提高淬透性，從而提升壓鑄模具鋼截面承壓面積。

　　在上述研究方向的指引下，國內外鋼廠和科研院所在此基礎上進行了成分優化。取得了很大的進展。目前得到市場認可的部分鋼廠生產的壓鑄模具鋼品種和主要成分見表1?！　?

　　2 冶金工藝對模具材料潔凈度的影響

　　在特殊冶煉方面，惰性氣體保護恒熔速電渣重熔已經成為提高熱作模具鋼冶金品質的必然手段。大冶特鋼、撫順特鋼、寶武特冶等特殊鋼廠近幾年均增加了惰性氣體保護電渣爐，有些企業增加十幾臺。常壓電渣重熔一般是在大氣氣氛或通入部分惰性氣體中進行的，金屬中的氣體(N、O、H)含量難于降低，甚至還有增長，氣體保護電渣重熔由于熔煉過程是在惰性氣氛下進行的，氣體含量基本不會增加，同時可以防止重熔過程中的活潑金屬的氧化，保持化學成分穩定性和一致性，具有高的潔凈度和成分均勻性。

　　黃宇等人對保護氣氛電渣重熔工藝和普通電渣重熔工藝H13鋼的鍛材成分、氧化物夾雜的組成進行了研究。保護氣氛電渣重熔工藝中O含量較低，僅為15×10-6;1～3 μm的小尺寸夾雜物占比達到了62.5%;普通電渣重熔工藝中O含量較高，達到了24×10-6,夾雜物含有4%的5～8 μm大尺寸夾雜物，1～3 μm小尺寸占比僅為37.8%,尺寸偏大。

　　為進一步降低鋼中氣體和雜質元素，真空自耗技術在高端模具鋼冶煉中也備受重視。真空自耗冶煉過程沒有保護渣，熔煉材料不受污染。并且在高真空中，能最大限度的除去H、O、N等氣體，鋼液潔凈、組織均勻。大冶特鋼利用技術工藝和裝備優勢，研究了經過常壓電渣、氣體保護電渣、真空自耗工藝的鋼錠氣體含量分析，經過精煉的YGDVA母材，常壓電渣重熔后鋼中N≤150×10-6、O≤24×10-6;惰性氣體保護電渣后鋼中N≤90×10-6、O≤15×10-6;經過真空自耗后的鋼錠N≤40×10-6、O≤6×10-6。并且，采用真空自耗的YGDVA,潔凈度大幅度提升，采用ASPEX Explorer型金屬質量分析儀對采用不同電渣方式的鋼樣進行全截面非金屬夾雜物掃描，結果如圖1所示。采用真空自耗冶煉的鋼錠夾雜物數量呈指數減少，并且未發現>5 μm的非金屬夾雜物。隨著夾雜物數量的減少，鋼的沖擊功明顯增加，采用真空自耗生產的YGDVA的橫向7mm×10mm無缺口沖擊功可以達到450 J,材料的等向性(短橫向/縱向的沖擊功比值)可達到90%以上。

　　3 鍛造工藝對模具鋼性能的影響

　　3.1 高溫均質化

　　為了提高材料的成分和組織均勻性，消除一次碳化物對性能的危害，高溫均質化處理是有效改善鋼錠原始成分顯微偏析的常用手段，H13鋼常規均勻化處理的溫度為1200～1250 ℃,往往需要保持30～40 h, 改善效果還不甚明顯。燕山大學劉鑫剛等通過大量的理論分析與系統的實驗工作，研究了高溫擴散對合金元素分布影響，建立了枝晶偏析的均勻化數學模型，分析了高溫擴散對組織、熱加工性能、產品最終力學性能的影響規律，給出了基于理論分析與實驗結果的高溫擴散工藝制定方法。目前，H13類熱作模具鋼高溫均質化處理溫度已經提高至1260～1300 ℃,保溫時間僅需20 h左右，均質化效果獲得成倍提升。

　　3.2 鍛造變形方式對材料的均勻性的改善

　　針對熱作模具鋼目前應用較多的沿軸向的多次鐓拔，橫向性能得到大幅度提升，與縱向比值差距不大，但是切向性能存在短板。

　　北京科技大學姜文鑫等人研究了多向鍛造對8418鋼組織和力學性能的影響。如圖2所示，多向鍛造可以明顯改善帶狀偏析和顯微組織，在一定范圍內鍛造比越大，偏析改善越明顯，按照北美壓鑄協會標準評級可達到SA2以內。多向鍛造對材料的等向性有明顯改善，在一定范圍內，鍛造比越大，材料的橫向、縱向沖擊韌性值越高，大鍛造比橫向沖擊與縱向沖擊較小鍛造比分別提高31%和23%左右。多向鍛造綜合了軸向及橫向兩種鍛造方式的特點，輪番從三個方位進行反復換向鍛造。鍛造變形均勻，易鍛透，組織改善全面，疏松被密實，流線徹底被打亂，碳化物細碎，顆粒呈無定向分布。

　　3.3 預備熱處理對模具終極組織的影響

　　為改善原始材料的顯微偏析對模具熱處理組織的影響，許多鋼廠開始對材料出廠前進行超細化處理工藝以改善材料顯微組織(圖3)。超細化處理的原理是將鋼加熱到高溫獲得均勻奧氏體組織后快冷至在馬氏體開始轉變線Ms之下后，再在合適的溫度下等溫時效使鋼中各類碳化物均勻彌散析出并降低其硬度，以實現微觀組織和碳化物的雙細化。這種工藝的實質就是“高溫固溶+碳化物時效析出” 。

　　孫立國等人研究了鍛后固溶預處理對H13鋼退火組織和沖擊性能的影響。經過固溶預處理后，退火過程中碳化物多以原位形核方式析出，碳化物分布均勻性和圓整度均提高。經1000 ℃預固溶處理與未經預固溶處理的H13鋼相比，橫向沖擊性能提高15%。

　　大冶特鋼針對規格650 mm×1100 mm的大截面壓鑄模具鋼YGDVA采用間隙水冷的固溶處理，退火組織和沖擊功均滿足北美壓鑄協會NADCA#207-2018標準要求，表2所示?！　?

　　4 科學合理的評價指標

　　無缺口沖擊功是用于考核熱作模具鋼的延展性的重要指標，在其它類模具鋼中一般不予采用。延展性表征的是在純塑性應變狀態下材料抵抗裂紋形成和擴展的能力，它和韌性是材料的兩個不同性能指標。

　　材料的硬度對延展性影響最大，如表3所示，退火態的4Cr5Mo2V鋼檢測橫向7 mm×10 mm無缺口沖擊功平均值為220 J,隨著硬度逐步升高至48HRC,7 mm×10 mm橫向無缺口沖擊功達到410 J。在同一材料相同硬度下，非金屬夾雜物、碳化物(碳化物液析、二次網狀碳化物)、晶粒度和顯微組織依次對延展性產生較大的影響。這表明，延展性更能反映模具鋼的原始材料質量水平。

　　等向性是衡量熱作模具鋼的各向異性的關鍵指標，在產品出廠檢測時，主要以橫向性能為主，熱作模具在實際應用過程中，整個型腔經受激冷激熱、復雜的交變應力。任何一個方向性能偏低，直接影響整副模具的使用壽命。

　　? 夏書文等人分析得出，“十三五”期間(2016～2020年),H13類熱作模具鋼的無缺口沖擊功和等向性水平獲得很大提升，與國際先進水平相當。“十三五”國家高性能模具鋼材料研究課題，明確提出高端壓鑄模具鋼等向性考核指標要≥90%。

　　5 建立個性化的材料檢測與評價體系

　　模具材料是模具的關鍵核心部件，模具材料的評價引起行業廣泛重視。目前行業內比較認可的標準仍然是北美壓鑄協會NACA#207《Special Quality Die & HeatTreatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies》及德國鋼鐵工業協會的SEP1416。近幾年，我國壓鑄模具鋼標準也進行了很大的更新和補充，比較常用的為GB/T1299-2014《工模具鋼,專注于壓鑄模具鋼的為GB/T34565.1《熱作模具鋼 第一部分：壓鑄模具鋼》。由表4對比發現，最新發布的壓鑄模具鋼國家標準比國際標準檢測項目還要齊全?！　?

　　以市場上運用比較廣泛的4Cr5MoSiV1鋼(相當于NADCA#207中的TypeH13-Superior)和4Cr5Mo2V鋼(相當于NADCA#207中的1.2367&Modfied)在非金屬夾雜物、沖擊功等關鍵指標進行對比分析，見表5,非金屬夾雜物兩者控制一樣，沖擊功國標根據質量等級細分為兩個級別，其中高級標準要求的沖擊功和NADCA#207-2018標準相當，特級標準要求的沖擊功遠高于NADCA#207-2018標準。

　　我國壓鑄模具鋼的標準從無到有取得長足的進步，但是在關鍵指標如退火組織評定上還需科學規范;目前北美壓鑄協會和德國鋼鐵協會均建立了成熟的評定體系。相信隨著國內企業對壓鑄模具鋼研究的不斷提高，符合壓鑄材料科學評定球化組織的標準體系的建立指日可待。

　　同時低S≤0.002%、低P≤0.010%,低O≤12×10-6、低N≤80×10-6,極低的非金屬夾雜物級別和極少的非金屬夾雜物數量將作為評定壓鑄模具鋼材料冶金質量的重要指標也將被納入材料個性化標準。

　　6 壓鑄模具鋼發展方向

　　目前我國中低端壓鑄模具材料已能滿足國內壓鑄行業的需求并實現出口;隨著我國“雙碳”計劃路線圖實施及汽車輕量化的要求，特別是2020年特斯拉電池日公布了下一代車身底盤設計方案，標志新能源汽車結構件一體化壓鑄技術的新突破，原來車身的鋼-鋁焊接結構有可能被全鋁結構和一體化壓鑄件替代。壓鑄模具材料在新能源電池包、電傳系統、電控系統、通訊基站、光伏儲能、高鐵與軌道交通等領域應用和需求量會越來越大。據不完全統計，目前國內6000 t以上大型壓鑄機達50臺套，而目前新能源汽車大型一體化模具使用壽命是2萬模次左右，一副模具模芯材料用量約20 t, 一輛車至少有四副一體化大型模具，按照年產100萬輛汽車就會用到約4000 t模芯材料。2021年新能源汽車的銷量已經達到352萬輛，各方權威部門預測2022年這一數據有望達到500萬輛左右。汽車一體化大型模具在特斯拉已驗證成功并在其引領下，國內多家新能源汽車廠如比亞迪、小鵬、吉利等都在開發試用。汽車一體化大型模具樂觀估計，2025年市場需求量可達20000 t。

　　未來壓鑄模具材料將向以下方向發展：

　　(1)需要開發適應大型壓鑄機的高端壓鑄模具材料，要求材料低偏析、超純凈，高的等向性及均勻性;鋼中P≤0.008%、S≤0.001%、N≤70×10-6,O≤10×10-6;等向性達到0.95以上;不存在單個大于5 μm的液析碳化物，球化組織均勻細小，2～4級。

　　(2)壓鑄模具尺寸向大型化發展，目前新能源車身結構件需要模具尺寸為厚度：200～600 mm、寬度700～1100 mm, 后期需要厚度：600～800 mm、寬度：700～1200 mm模具。

　　(3)壓鑄產業鏈合作更為緊密，模具制造商更加關注模具材料的顯微組織對模具熱處理組織和性能的影響，材料生產商為下游模具制造提供"一攬子"技術服務和解決方案。

　　(4)建立個性化的材料驗收標準，包括成分設計及控制、潔凈度、顯微組織指標、檢測與評價。

　　(5)單重18 t、厚度600 mm以上的大型、超大型一體化壓鑄成型壓鑄模具使用壽命至少達到3萬次以上，要求模具材料具有高的熱疲勞性能;同時需要設計開發新的高端壓鑄模具材料，提高使用壽命達到5萬次以上。