高性能微合金化熱沖壓成形模具用鋼服役性能的影響

鄭朝輝，周彥君，蔡振雷，馬鳴圖，馮 毅，蔡志輝

(1.河鋼集團石鋼公司，石家莊 050031；2.東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.太原科技大學 機械工程學院，太原 030024)

熱成形技術(shù)通過簡單合金成分設(shè)計，將高溫成形與淬火強化相結(jié)合，能獲得1 500 MPa強度級別零部件，完美解決超高強度與良好成形性之間的矛盾，已成為當前國內(nèi)外各大汽車廠商實現(xiàn)車型輕量化的主要途徑之一[1-6].熱成形技術(shù)發(fā)展和熱成形零件品質(zhì)提升均離不開高端熱成形裝備的研發(fā)，其中就包括熱成形專用熱作模具裝備.機械裝備關(guān)鍵零件一般處于重載、沖擊、疲勞、復雜應力等嚴酷工況下，除強度外，對零件的韌性要求也很高，而韌性不足將誘發(fā)一系列零件服役性能缺陷問題[7-9].

熱成形專用熱作模具在服役過程中將承受零件帶來的接觸磨損及熱影響，為滿足大批量熱成形工業(yè)零件的制造需求，要求模具用鋼具有優(yōu)異的耐高溫疲勞性能和穩(wěn)定導熱率，二者也是當前國內(nèi)此類鋼種普遍存在的共性性能缺陷.目前熱沖壓模具壽命一般在15萬～30萬次，主要使用材料為H13模具鋼.目前熱沖壓成形模具用鋼的壽命短，依賴進口是主要的技術(shù)瓶頸.瑞典Uddeholm Tooling開發(fā)的DIEVAR模具鋼、瑞典ASSAB開發(fā)的 QRO-90鉻-鉬-釩熱作合金工具鋼、西班牙Rovalma開發(fā)的HTCS熱成形模具鋼都具有比H13模具鋼更長的壽命，可以達到60萬次，但進口模具鋼的價格很高，國內(nèi)熱成形行業(yè)迫切需要國產(chǎn)化的高耐磨、高耐高溫疲勞的優(yōu)質(zhì)專用模具鋼.

微合金鋼是高性能工業(yè)用鋼的重要發(fā)展方向[10-11].本文面向當前國內(nèi)高性能熱作模具鋼長壽命和急切代替進口的迫切需求，致力于Nb-V復合微合金化熱成形專用模具鋼開發(fā)及其應用研究.通過V，Nb 等的添加實現(xiàn)復合微合金化，提高模具鋼的抗磨損性能、熱物性能、抗熱疲勞性能，從而實現(xiàn)高性能、長壽命的新型復合微合金化熱成形模具鋼的開發(fā).在此基礎(chǔ)上，通過多種表征手段，綜合分析了微合金化對熱成形專用模具鋼服役性能提升的微觀機理.

1 模具鋼的制備及性能測試

1.1 材料成分和制備

新設(shè)計微合金模具鋼和H13模具鋼的化學成分如表1所示，并在生產(chǎn)線上對其進行了試制.為保證冶金質(zhì)量，冶金工藝流程為電弧爐粗煉→LF爐外精煉→RH真空脫氣→澆鑄→電渣重熔→二次澆鑄→鋼錠組織均化熱處理→鍛造→正火熱處理→快速水冷.

表1 實驗模具鋼實測化學成分(質(zhì)量分數(shù)) Table 1 Actual chemical composition of tested steel plate(mass fraction) %

1.2 試驗方法

(1)調(diào)質(zhì)熱處理.將試驗鋼在SX2-8-10電阻加熱爐中1 000 ℃保溫45 min后油淬，再經(jīng)過580 ℃和600 ℃的回火處理90 min，樣品尺寸為Φ20 mm×10 mm.

(2)拉伸試驗在CMT5305型萬能材料拉伸試驗機上完成，試驗過程參考國標《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)執(zhí)行，試驗溫度為±25 ℃，拉伸速率為1 mm/min；沖擊性能試驗參照國標《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2020)執(zhí)行，在德國Wolfter公司數(shù)字化沖擊試驗機上完成.

(3)金相觀察.將拋光后的試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，采用DMI3000M型金相顯微鏡進行觀察，觀察過程根據(jù)國標《金屬顯微組織檢驗方法》(GB/T 13298—2015)的要求執(zhí)行；熱處理組織的相關(guān)高倍分析試驗在JEOL JSM-7800F掃描電鏡、Philips TECNAI 20 透射電子顯微鏡等設(shè)備上完成.

(4)針對模具鋼的磨損性能試驗測評，在美國NANOVEA公司 T100型多功能摩擦磨損試驗機上完成；針對模具鋼的熱疲勞性能測評，在LRP-1200型金屬熱疲勞性能試驗機上完成.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 力學性能

為對新設(shè)計試驗鋼進行綜合服役性能的測評，將其與目前國內(nèi)某熱成形零件廠家應用的H13熱作模具鋼(調(diào)質(zhì)態(tài)力學性能與本文新開發(fā)模具鋼相當)進行了對比.圖1為兩種模具鋼各取30件樣品，通過檢測獲得的強塑積、沖擊功等韌性指標統(tǒng)計性分布，從中可以看出：新開發(fā)模具鋼的強塑積、沖擊功等韌性指標的分布區(qū)間更窄，即性能更加穩(wěn)定.

圖1 新開發(fā)模具鋼與H13模具鋼的韌性指標統(tǒng)計性對比Fig.1 Statistical comparison of toughness index between newly developed and H13 die steel(a)—強塑積；(b)—沖擊功.

如圖2(a) (b)，對比了兩種鋼經(jīng)1 000 ℃處理后的原奧氏體晶粒形貌.從圖中可以看出，新開發(fā)鋼材的奧氏體晶粒尺寸更小，且更加均勻，因此導致淬火馬氏體組織(圖3)乃至回火索氏體組織(圖4)得到了充分的細化和均化，實現(xiàn)了韌性的提升.

圖5為新開發(fā)模具鋼的拉伸、沖擊斷口的形貌特征.新開發(fā)模具鋼不論是拉伸或沖擊斷口，其韌窩特征更加顯著，且韌窩尺寸細小，進一步體現(xiàn)了其韌性優(yōu)勢.

圖2 新開發(fā)模具鋼與H13模具鋼的原奧氏體晶粒組織對比Fig. 2 Comparison of original austenite grain structure between newly developed and H13 die steel(a)—新鋼種；(b)—H13模具鋼.

圖6～7進一步展示了新開發(fā)模具鋼在不同熱處理狀態(tài)下Nb和V的析出特性，以及Nb和V對模具鋼服役性能的影響機制.首先，如圖6所示，采用熱力學軟件計算了Nb和V兩大元素的析出比例隨溫度變化的規(guī)律.從圖6(a)中可以看出，在常溫狀態(tài)下，Nb的析出比已經(jīng)接近100%，即已處于近全析出狀態(tài)，這些Nb的碳化物大多沿原奧氏體晶界析出，可有效阻止高溫奧氏體粗化，從而起到了細化最終組織、增強韌性的良好作用[12-17].圖7(a)即為淬火狀態(tài)下新開發(fā)的模具鋼基體中沿原奧氏體晶界析出的Nb的碳化物示例.此外，熱力學計算結(jié)果如圖6(b) (c)所示，隨著溫度降低至室溫，新開發(fā)模具鋼中V始終處于析出狀態(tài)，且在580～600 ℃的溫度范圍內(nèi)正好對應其“黃金”析出區(qū)間[18].圖6(c)中，Ms代表馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，F(xiàn)代表鐵素體，P代表珠光體，B代表貝氏體.

圖3 新開發(fā)模具鋼與H13模具鋼的淬火馬氏體組織對比Fig.3 Comparison of quenched Martensite structure between newly developed and H13 die steel(a)—新鋼種金相；(b)—H13模具鋼金相；(c)—新鋼種EBSD；(d)—H13模具鋼EBSD；(e)—新鋼種SEM；(f)—H13模具鋼SEM.

圖4 新開發(fā)模具鋼與H13模具鋼的回火索氏體組織對比Fig.4 Comparison of newly developed and H13 die steel tempered Soxhite structure(a)—新鋼種；(b)—H13模具鋼.

圖5 新開發(fā)模具鋼的拉伸、沖擊斷口形貌Fig.5 Tensile and impact fracture morphology of newly developed die steel(a)—拉伸；(b)—沖擊.

圖6 新開發(fā)模具鋼中Nb和V析出比隨溫度的變化規(guī)律Fig.6 Variation rule of Nb and V precipitation ratio with temperature in newly developed die steel(a)—淬火態(tài)新鋼種Nb的碳化物析出比；(b)—回火態(tài)新鋼種V的碳化物析出比；(c)—熱力學計算V的析出過程.

如圖7 (b) (c)所示，在最終回火基體中也發(fā)現(xiàn)了大量晶內(nèi)析出的V的碳化物，這些析出物的尺寸經(jīng)統(tǒng)計基本在2～25 nm.這個尺寸范圍的碳化物粒子一般可對鋼材形變過程中的運動位錯起到一定的阻礙作用[19-22]，從而消耗外部輸入的應變能，最終可進一步起到有效增強模具鋼基體韌性的作用.此外，V還可有效降低工模具鋼的過熱敏感性，同時增加回火穩(wěn)定性、耐磨性，從而進一步延長工模具鋼的使用壽命.

2.2 服役性能

本節(jié)測評了新開發(fā)Nb-V微合金模具鋼的關(guān)鍵服役性能指標，具體為高溫熱疲勞性能、耐磨性能.圖8為新開發(fā)鋼種與傳統(tǒng)H13模具鋼的試驗結(jié)果對比示例，結(jié)果表明：在相同試驗工況下，新開發(fā)鋼種的熱疲勞性能顯然更為優(yōu)異.這是由于Nb的添加對基體中沿晶界析出的碳化物在高溫下的粗化起到了阻礙作用，且使高溫循環(huán)狀態(tài)下基體中的位錯密度的降低放緩，對熱裂紋的擴展也起到了阻礙作用[17,23]，從而提高了鋼材的熱疲勞抗力.

圖7 新鋼種中Nb和V的析出物示例Fig.7 Examples of Nb and V precipitates in newly developed die steel(a)—Nb的碳化物粒子(淬火態(tài))；(b)—V的碳化物粒子(回火態(tài))；(c)—基體中碳化物粒子尺寸分布.

圖8 兩種模具鋼熱疲勞性能對比Fig.8 Comparison of thermal fatigue performance of two die steels(a)—新鋼種600 ℃；(b)—H13模具鋼600 ℃.

在相同的測試工況下，新開發(fā)鋼種的磨損量更低，如表2所示， Nb-V微合金化的模具鋼組織更加細小且均勻，Nb和V的細小碳化物粒子可作為硬質(zhì)點，均可提升鋼表面耐磨性[24].新開發(fā)鋼種的導熱系數(shù)隨溫度上升而緩慢降低，如表3所示， Nb-V微合金化導致晶粒組織溫度穩(wěn)定性強，使鋼種的熱膨脹系數(shù)穩(wěn)定，進而提升了鋼材導熱性能的穩(wěn)定性.

表2 新開發(fā)鋼種和H13模具鋼耐磨性能對比Table 2 Comparison of wear resistance of newly developed steel and H13 die steels

表3 新開發(fā)鋼種的導熱性能穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 3 Test results of thermal conductivity stability of newly developed steel

綜上所述，新開發(fā)鋼種具有更為優(yōu)異的抗熱疲勞性能、耐磨性能、熱物性能，目前已經(jīng)實現(xiàn)了量化生產(chǎn)，并在國內(nèi)初步實現(xiàn)了批量應用.根據(jù)鋼種應用廠家測算，用新開發(fā)的鋼種替換原H13模具鋼后，熱成形模具壽命提升至50萬～60萬次，大大降低了熱成形模具成本，同時有利于提高熱成形產(chǎn)品質(zhì)量，取得了較好的應用成效.

3 結(jié) 論

(1)基于微合金化及合理的調(diào)質(zhì)工藝匹配，新開發(fā)模具鋼屈服強度≥1 400 MPa、抗拉強度≥1 700 MPa、延伸率≥11%、強塑積≥20 GPa%、沖擊功≥50 J，強塑性水平優(yōu)異.

(2)在常溫狀態(tài)下，Nb的析出比已經(jīng)接近100%，即已處于近全析出狀態(tài)，這些Nb的碳化物大多沿原奧氏體晶界析出，可有效阻止高溫奧氏體粗化，從而起到細化最終組織、增強韌性的良好作用.此外，在580～600 ℃回火溫度范圍內(nèi)正好對應V的“黃金”析出區(qū)間，在回火基體中發(fā)現(xiàn)了大量晶內(nèi)析出的V的碳化物，這些析出物的尺寸經(jīng)統(tǒng)計基本在2～25 nm，這個尺寸范圍的碳化物粒子可對鋼材形變過程中的運動位錯起到一定的阻礙作用，從而消耗外部輸入的應變能，最終可進一步起到有效增強模具鋼基體韌性的作用.

(3)Nb-V復合微合金化還有效提高了模具鋼的服役性能.Nb的添加提高了鋼材熱疲勞抗力，其根本原因是Nb對基體中沿晶界析出的碳化物在高溫下的粗化起到了阻礙作用，且使高溫循環(huán)狀態(tài)下基體中的位錯密度的降低放緩，對熱裂紋的擴展也起到了阻礙作用.由于Nb-V微合金化的模具鋼組織更加細小且均勻，Nb和V的細小碳化物粒子還可作為硬質(zhì)點，提升鋼表面耐磨性.此外，Nb-V微合金化導致晶粒組織溫度穩(wěn)定性強，使鋼種的熱膨脹系數(shù)穩(wěn)定，還有效提升了鋼材導熱性能的穩(wěn)定性.