不同热冲压模具钢的性能比较

　　1 前言

　　热冲压模具中的摩擦学系统取决于工艺参数，包括力学和热载荷以及粘合剂和磨料磨损，工艺周期时间应该尽可能短。常用的热作模具钢耐磨性很低，但在工艺周期时间上，需要较高的热导率。因此，为了将模具钢应用于热冲压工艺，迫切需要找到这样的解决方案，可以显示出耐磨性、高热导率、韧性和硬化行为等关键性能指标的优化组合。为此，业内提出了专为热冲压应用而设计的、新型热作模具钢，具有高热导性，并将其部分关键性能指标与传统钢种SKD11进行了比较。本文根据ASTMG65和ASTMG75等标准开展试验，进行了摩擦学研究，同时在热冲压条件下利用22MnB5薄板进行了扁平薄带拉拔试验。

　　1.1 热冲压工艺

　　由于燃油消耗或安全标准等法规要求日益严格，对于A立柱和B立柱等白车身部件而言，高强钢板的热冲压或加压淬火工艺就是一种成熟的制造方法。22MnB5(1.5528)钢薄板可以在单一工艺步骤中成形和硬化，由此生成完全马氏体组织，同时具备约1500MPa的极限抗拉强度。为了在今后的应用过程中避免薄板氧化，同时确保防腐蚀性能，采用了不同的涂层，因此，也有两种不同的热冲压方法。最大的区别就是在奥氏体化之前是否采用了冷成形工序。借助内部冷却通道进行冲模的急剧冷却，从而实施快速淬火。考虑到在直接热冲压过程中不能采用传统的锌镀层，因而通常采用了AlSi基镀层。在成形过程中，工件的温度通常为600-800℃，在高温条件下根本无法采用润滑剂，从而造成了高温摩擦。加之成形和淬火工序会产生热载荷和力学载荷，很可能会使得热冲压模具出现剧烈磨损。而且冷却通道产生的腐蚀也会缩短模具的使用寿命。不过，由于急剧的内部冷却，与工件初始温度相比，表面的模具温度更低一些。

　　1.2 热冲压模具钢

　　热冲压模具钢需要具备诸多性能指标的理想组合，如：高硬度且均匀分布，耐磨损和热导率。特别是后两者备受关注，这是因为快速和均匀冷却是配件成品优化力学性能的先决条件。而且快速淬火有助于缩短热冲压过程的周期时间。如前所述，热冲压模具钢的高耐磨性就是另一大关键性能。常用的SKD11是一种高合金钢种，通过对力学性能进行改善，可以在大截面上也具有高硬度。为了提升耐磨性，冷作模具钢通常含有更高的合金元素，但同时也会降低韧性。因此，合金元素可以改善相关的力学性能，但另一方面，高含量的间隙元素和替代元素则会降低铁基合金的热导率，其中，Cr和Si等元素的影响最大，而Mo、Mn和C也会对热导率产生一定影响。近来有研究显示，在析出情况下，合金元素对热导率的不利影响会减小。因此，要想提高热作模具钢的热导率，应该将非碳化物形成元素保持在较低水平，同时碳化物形成元素的含量需要维持良好的平衡。随着热冲压工艺在汽车生产上的应用不断增多，研究人员愈发关注物理性能，而且在十年前就开创了有关热导型模具钢的首个概念。不过，如果偏重于热导率，那么耐磨性和淬透性也会出现下降，因此，在力学和物理性能之间需要找到一种平衡。为此，开发了一种新型的模具钢解决方案，在性能方面实现了折中，考虑到热处理对热作模具钢物理性能的影响，对其进行了确认。根据合金化元素对热导率和硬度的影响，开发了一种特殊的热作模具钢45MoV14-13(1.2383，品牌名为：Thermodur 2383 Supercool)，其合金系统有意将硬度、硬化行为、耐磨性和热导率等关键性能指标达到平衡。

　　1.3 热冲压模具和模具钢的磨损

　　作为热冲压模具钢的关键性能之一，需要对耐磨性进行考察。这类研究采用实验室试验装置，根据ASTM G65标准的室温条件，或者进行升温调节，不可避免地包括摩擦学系统与实际热冲压模具的偏差。不过，因为易于确定和比较不同合金的耐磨性，ASTM G75标准等一类方法在汽车工业得到了普遍应用。作为一种替代方法，采用22MnB5钢材质对偶件的销盘试验装置也得到了多次应用。这些研究主要揭示，出现的粘着磨损是作为主要的磨损机理。不过，在高温条件和部分参数作用下，也会出现粘着磨损，多半是由氧化现象所产生的。为了提供更接近实际热冲压工具的条件，薄带拉拔试验装置已经广泛应用于模具钢的磨损试验或热冲压的模具涂覆。在这些研究中，粘着是主要的磨损机理。不过，取决于试验参数，磨粒磨损也会经常出现。要将磨损试验的结果从实验室规模放大至实际应用，这是非常复杂的，而且只能进行定性研究。一些研究证实，实验室分析得出的主要磨损机理与实际模具之间具有可接受的一致性。在这些研究中，对使用后的不同热冲压模具进行了分析，均显示为粘着磨损。不过，未涂镀或AlSi镀层22MnB5钢在热冲压过程中，磨粒也很可能会产生磨损行为。

　　1.4 本研究的目的

　　本研究中，考察了用于热冲压工艺的、不同类别的新旧模具钢种。此外，借助不同的试验装置分析了磨损行为。结合热冲压工具钢的性能要求，对结果进行了比较和评价。

　　2 试验过程

　　2.1 试样材料

　　本研究采用的模具钢如表1所示。为了比较，将常用的SKD11作为参比试样。与通用的CrMoV合金热作模具钢比较，将2999合金系统的成分有所调整，主要降低了Cr含量，增大了Mo含量，目标是增大硬度和耐磨性。如前所述，1.2383在硬化行为和热导率之间实现了折中，这是由特殊平衡的合金化元素所产生的。而且对1.2383进行了实验室规模的改良，并考察了相关的性能。这些措施可以使得硬度增大，同时热导率高于传统的模具钢。不过，SKD11和1.2383等是采用常用工业路线制造的，即在电弧炉中熔化、二次冶金、压锭铸造、电渣重熔、包括固有热处理步骤(扩散退火，正火和球化处理)的锻造。采用感应熔炼、铸锭和轧制，随后正火和球化处理制备出三种模具，分别编号1、2和3。因此，试样从大块过渡区域或实验室合金的轧锭切割而来。热处理在真空炉中使用氮气进行淬火，相关参数列于表2。

　　2.2 金相和显微镜观察

　　利用传统的光学显微镜(LOM)和扫描电镜(SEM，型号Zeiss EVO 50XVP)对显微组织表征。SEM还配备了电子色散X射线能谱仪(EDS)。在观察之前，试样经过研磨、抛光和腐蚀(3%Nital溶液)。

　　2.3 热力学计算与模拟

　　根据表1所列的化学成分，利用Thermo Calc S软件和TCFe 7数据库进行热力计算。根据化学成分和热处理条件，采用JMatPro9.0软件模拟不同材料的性能。

　　2.4 试验装置

　　热处理的硬度结果采用洛氏硬度试验(HRC)进行测定。选择代表性的热处理条件用于力学和物理性能的表征。热导率的测定包括：密度(浮力法，膨胀计)，比热容(差示扫描量热法)和温度传导率(激光闪光分析)，均取决于温度。随后，就可以计算出热导率。

　　2.4.1 磨粒磨损试验

　　根据ASTM G65-15标准，磨粒磨损试验采用了干石英砂(GL23，粒度150-425μm)作为磨粒，试验按照标准的A法进行，通过测定体积损失得到结果，借助ASTM G75-15装置，试样采用标准化泥浆(150g Al2O3，“F220”，晶粒尺寸45–75μm和150g H2O)进行试验，产生了体积损失，并选择性地计算SAR值(Miller试验)。

　　2.4.2 薄带拉拔试验

　　此外，采用单边薄带拉拔试验考察了摩擦和磨损行为。首先薄板在外燃炉930℃的条件下进行奥氏体化，该试验装置有一种可移动加热滑轨，从而使得在试验过程中实现主动温控。利用液压缸施加法向力和牵引力，利用摩擦夹片模拟模具并施加接触压力，有关试验装置的更多详情可以参考Schwingenschlogl等人的研究。作为工件材料，采用了AlSi镀层的22MnB5钢薄板(厚度1.5mm)。后者施加了150gm-2作用力，从而产生了25μm的平均厚度。薄带拉拔试验在恒定压力5MPa和50mms-1的拉拔速度下进行。而且考察了两种不同的工件温度(530℃和600℃)。随着温度高于700℃，在模具表面出现了明显的拉毛(galling)，从而造成了薄带的塑性变形。因此，摩擦系数可能不再是一种可靠的测定方式。在试验过程中，接触时间长，相对距离长和恒定高温就会造成严重的拉毛现象。不过，530℃和600℃的温度条件似乎与成形过程相关，这是因为马氏体在425℃左右出现，标志着成形过程的实际极限。每个试验重复三次(n=3)。摩擦夹片表面沿着拉拔方向进行纵向研磨。薄带拉拔试验后模具表面采用高精度粗糙度测量仪(Perthometer MarSurf XR20)和共聚焦显微镜(NanoFocus μSurf)进行测定和观察。

　　3 结果与讨论

　　3.1 合金开发

　　在合金开发上，Thermo-Calc S软件计算热力学平衡就是一种有效的工具。将参比试样SKD11的相图与特殊模具钢2999和1.2383进行比较。考虑到特殊的C含量(表1)，可以推断，硬化温度、奥氏体和未溶碳化物的显微组织(SKD11和2999的富Mo碳化物M2C，2999的碳化物M6C以及1.2383的富V碳化物MC)都会阻止不理想的晶粒长大。由于合金系统不同，在回火过程中，析出物经过淬火，碳化物的类型就会发生变化。因此，对于淬火后马氏体基体的合金化元素含量，硬化温度的奥氏体组分就可以提供相关信息。

　　由于合金化系统不同，1.2383呈现出最低的合金化元素含量，这有利于物理性能。在回火过程中，甚至在碳化物析出后，随着Cr、Mo、V和C等碳化物形成元素从基体中耗尽，而保留了Ni和Mn，这种差异应该还会继续保持。实验室合金的热力学计算显示，在奥氏体组分和碳化物形成元素的调节量方面，实验室合金处于传统热作模具钢和1.2383之间。在硬化温度时，它们的显微组织由奥氏体和富V的MC碳化物组成。采用JMatPro软件，不同合金试样的淬透性通过模拟Jominy试验计算。由于Cr和Mo的含量更高，传统热作模具钢具备更优秀的淬透性，而实验室合金呈现出更高的淬火硬度，这归因于C含量较高，而且与1.2383相比，硬度降幅更小。所有合金都呈现出细微晶粒的马氏体基体，但实验室合金中，少量的大尺寸VC清晰可见，这是因为C含量更高，同时缺少ESR。

　　3.2 力学和物理性能

　　所有合金的二次硬化行为证实2999和实验室合金的硬度高于参比试样SKD11，这是因为C含量的增加。1.2383的硬度更低，很可能是由于替代性合金元素的固溶强化作用更弱。不过，由于回火碳化物的析出，特别是富V的碳化物会使得1.2383的硬度显著增大，从而使得最大硬度值略微低于SKD11。而且在较高的回火温度下，硬度的下降不太明显，这显示出显微组织的稳定性很可能归因于MC碳化物。

　　如前所述，为了进一步表征，选择特殊的热处理条件使硬度值达到52±2HRC。此外，实验室合金在低温条件下回火，从而使得硬度为61±1HRC。众所周知，钢材的热导率在于电子、声子和磁特性，而磁特性的影响最小，可以忽略不计。因此，如果发生散射，可以借助电子、声子控制热导率。不同热处理温度条件下合金的热导率显示，由于化学成分的变化，1.2383的硬度值高于传统热作模具钢SKD11，而在整个温度范围内，2999的硬度水平变化不大。620℃回火后1号和3号模具的热导率略高于参比试样，虽然不及1.2383，但远高于SKD11。低温回火后，实验室合金在室温下的热导率约为20WmK-1，而SKD11的室温热导率更低一些。这是因为高温回火过程中产生了碳化物的析出，从马氏体基体中消耗了合金化元素。620℃时2号模具的热导率较低，这是因为合金化元素的含量高于1号和3号模具(表1)，不过，由于合金化元素含量低于参比试样，因此，预期热导率会更高，这需要深入的研究。

　　3.3 耐磨性

　　3.3.1 磨粒磨损

　　根据ASTM G65标准进行磨损试验，在这种试验装置中，采用了尺寸较大的SiO2磨粒，其硬度约为1000HV，参比试样SKD11的体积损失最大。与之相反，2999、1.2383和620℃回火的实验室合金则非常相似，抗磨粒磨损性显著增大。正如预期的一样，较低的回火温度产生较高硬度，进而减少了磨损的出现，如1号模具所示，在研究的合金对象中体积损失最低。根据ASTM G75标准进行磨损试验，采用了含水泥浆，与ASTM G65相比，硬度更高(约2000HV)，而且磨料Al2O3颗粒更细小，在两种热处理条件下，实验室合金在这种试验装置中都表现出较高的抗磨粒磨损性，而2999、1.2383和SKD11的表现非常相似，体积损失显著增加。因此，这些结果证实，高硬度并非高耐磨性的唯一标准，也需要考虑显微组织(例如：碳化物的尺寸、类型和含量，以及磨料颗粒的的尺寸、类型和含量)因素。不过，在细微显微组织的情况下，并不能直接测定单相的性能。

　　图1显示的是，根据ASTM G75(a-d))和ASTM G65(e-f)等标准进行试验后，不同模具钢磨损表面的SEM图像。由磨料颗粒引起的沟槽使得磨损清晰可见。正如预期的一样，在ASTM G65标准的情况下，更大的磨粒可以产生更宽的沟槽。而且借助EDS光谱可以确认碳化物析出的差异。虽然SKD11(图1(a)，(e))主要含有富Mo的M2C碳化物(硬度约为1800HV)，而2999图1(b)的显微组织则显示出富Mo的M6C碳化物(硬度约为1500HV)，在1.2383和实验室合金图1((c)，(f)和(d))中主要出现了富V的MC碳化物，其硬度可显著增大至3000HV。在任何情况下，大多数碳化物都明显小于磨料颗粒。因此，在粘着磨损的情况下，碳化物的个体硬度显得不太重要，因为碳化物会完全处于犁沟状态。不过，本研究中，所有磨损试验都采用了疏松颗粒，因此，单相的性能(如碳化物的尺寸、分布和硬度以及马氏体基体的硬度)对于抗磨粒磨损性都会造成一定影响。举例来说，如果基体的硬度较高，同时具备足量细微弥散的小尺寸碳化物(这也意味着“自由”基体与碳化物之间的距离较短)，那么就可以有效对抗较大尺寸颗粒的磨损。

　　通常来说，由于碳含量较高，以及MC碳化物(尺寸甚至更为粗大)细微弥散，通过增大马氏体基体的硬度，就可以改善实验室合金的耐磨性。根据ASTM G75标准进行试验，2999的M6C碳化物比Al2O3更软一些，因此，尽管含量较高，却并不具备耐磨性(图1(b))。与之相反，SKD11M2C的硬度略低于磨粒，而1.2383的MC则更硬一些。根据这种趋势，与1.2383相比，SKD11的碳化物似乎更为粗大。而且如前所述，由于固溶强化作用，SKD11的马氏体基体的硬度应该更高。因此，SKD11质量损失小于1.2383。不过，在ASTM G75的情况下，SKD11、2999和1.2383之间的差异相对较小。与之相反，ASTM G65标准进行试验时，含有尺寸更大，但更软的磨料SiO2颗粒，尽管尺寸不同，所有碳化物都会产生耐磨性。不过，SKD11中出现了脆性断裂，并由磨料颗粒产生了压痕(图1(e))，从而使得质量损失更大，从而降低了耐磨性。

　　3.3.2 粘着磨损

　　利用薄带拉拔试验，比较了1.2383和标准合金SKD11等试样，摩擦夹片的磨削产生了初始粗糙度值(Ra)分别为：0.27±0.03(SKD11)和0.23±0.01(1.2383)，结果显示，对于所有模具钢而言，随着工件温度的升高，摩擦减小，这可能归因于涂层剪切强度的减小。与SKD11相比，1.2383的摩擦系数略高。不过，这种差异是在测量的变异范围之内的。

　　为了确定摩擦行为的可能原因，借助光学检测手段分析了模具和薄带表面，如图2所示。测定了试验前以及六次试验后的模具表面，拉拔长度为400mm。而且分析了第六个薄带的表面。形貌分析揭示SKD11模具表面明显的粘着磨损，纵向指向拉拔方向。工件的温度越高，所有模具钢的粘着磨损量也会增加。不过，与SKD11相比，1.2383在模具表面显示出明显更少的粘附材料。

　　模具表面的EDS分析表明，粘附材料主要由Al、Si和部分O，没有粘附的区域显示出最大含量70%–80%的Fe。因此，可以推断粘着磨损是由于材料从工件AlSi镀层转移到模具表面。而且结果证实模具表面的AlSi镀层减小了摩擦，这与前人的研究成果相符，也就是说，在薄带拉拔试验过程中，随着粘着磨损的增大，摩擦系数减小。

　　热处理后，试样薄带表面显示出较高的粗糙度。由于与模具接触，这些粗糙部位变平。而且在薄带表面可以发现沟槽标记，而且随着温度的升高而增多。在所有模具钢的试验中都可以发现这一现象。因此，工件材料强度的下降会导致沟槽的出现。由于薄带表面出现变形，对相对运动的抵抗性减小，因而随着工件温度的升高，从而减小了摩擦。不过，SKD11进行试验之后，沟槽标记的数量明显增多，这与观察到的磨损行为基本一致。因此，薄带表面的沟槽似乎主要是由模具表面的粘附材料所产生的。这一结论可以通过磨损模具表面的平均轮廓幅度得以证实。根据试验推测主导磨损机理似乎是粘着磨损，高轮廓幅度与粘着磨损的较高磨损量相关。轮廓幅度的定量分析证实了形貌定性测量的结果。对于所有的模具钢而言，通过升高工件温度可以测定磨损的增量。而且1.2383的粘着磨损明显小于SKD11。磨损行为不同的主要原因似乎是模具钢的化学粘附倾向。如图1的显微组织所示，这可能归因于细微弥散的硬质MC碳化物，可以有效减小粘附倾向，而SKD11的软质M2C碳化物在这方面的作用则明显更弱一些。不过，针对模具材料特性及工件AlSi镀层粘附倾向，为了阐明两者之间的因果关系，还需要进行深入研究，而且实验室合金也需要进行薄带拉拔试验。

　　4 结论

　　本研究对不同热作模具钢进行了表征，重点关注热冲压应用的相关性能。参比试样SKD11呈现出良好的力学性能，但耐磨性和热导性很低;2999的性能略有改善，而1.2383的热导率很高，则磨粒磨损和粘着磨损最小。因此，Thermodur 2383 Supercool具有较高的热导率，可用作热冲压模具，因而一直成功应用于间接热冲压。

　　为了增大耐磨性而确保良好的物理性能，开发了实验室合金，这类材料不仅可以增大抗磨粒磨损性能，同时确保了较高的热导率。而且可以借助热处理手段得到力学的性能。因此，这种改良的合金材料可适用于热冲压模具，而有关抗粘着磨损性的研究还需要深入开展。