為了提高模具壽命、降低維修費用及縮短成型周期以提高生產(chǎn)效率，目前全世界的壓鑄工作者正在緊張地從事與模具問題有關的工作。從技術的復雜程度來看，這些要素包括模具設計、模具維修、模具工作條件等方面。經(jīng)驗表明，模具材料本身在這些要素中起到了一個重要的作用。
本文總結了 Uddeholm工模具鋼公司某些關鍵因素的研究經(jīng)驗，這些因素限制了模具壽命，或造成模具的過多維修。本文討論了起關鍵作用的模具材料性能對這些因素的重大影響，并說明了優(yōu)質模具鋼的重要性。同時也討論了模具材料在縮短加工周期方面的作用，以及一種能發(fā)揮有利作用的新型模具鋼。
關鍵因素
在壓鑄鋁和黃銅中，模腔中的某些現(xiàn)象被認為是對模具壽命和模具維修具有決定性作用的。這些最重要的因素是熱裂紋、微裂紋、腐蝕和塑性變形。由于過去幾年的深入研究，獲得了對這些現(xiàn)象的較深刻了解，它表明了模具材料的某些性能是極為重要的，如表1所示。
表1 在鋁和黃銅壓鑄中與模具有關的關鍵因素及模具材料的相應性能
與模具有關的關鍵因素 模具材料的關鍵性能
●熱裂紋 熱強度(熱硬性)
耐熱性
韌性/延性
熱膨脹性
導熱性
●微裂紋 韌性/廷性
●腐蝕 熱強度(熱硬性)
耐化學性
●塑性變形 熱強度(熱硬性)
抗回火性
生產(chǎn)率因素 關鍵性能
●注射周期 導熱性
熱裂紋是一種由熱循環(huán)引起的熱機械疲勞過程，該過程在模腔表面產(chǎn)生周期性的應力和應變。其典型的損壞形式是網(wǎng)狀細裂紋的不斷擴展，熱裂紋被認為是常規(guī)模具的壽命限制因素。高熱強度及高耐熱性-高溫時的抗軟化性，被認為是獲得高抗熱裂紋性的摸具材料最重要的機械性能。
另一方面，高韌性/延性也顯示出所起到的有利作用。在模具材料的物理性能中，低熱膨脹性且高導熱性對抗熱裂紋性是最根本的。
由于機械或熱過載，微裂紋是模具毀壞性裂紋。這種現(xiàn)象會突然發(fā)生，在不同程度上完全毀壞模具。實際上幸運的是，微裂紋比較少見，由于其突變性及后果的嚴重性，必須予以避免。模具材料的高韌性/延性對提高抗熱裂紋性，特別對大型模具是很重要的。
腐蝕是一種復雜現(xiàn)象，包括化學和機械磨損過程。它首先產(chǎn)生在模具的暴露零件上，如澆道部分，需進行特殊維修。除了對熔化金屬具有良好的耐化學性外，模具材料高的熱強度對抗腐蝕來說也是一種重要性能。
塑性變形-型腔中的凹痕，首先對于實際機械應變來說，是熱強度不足而引起的。模具材料中的高熱強度和高耐熱性，對避免該問該是極端重要的。
縮短成型周期
迄今為止，討論僅集中于模具壽命和維修問題。但是通過對成型周期提供各種可能性，模具材料對生產(chǎn)率有著直接的影響。當模具處于閉合狀態(tài)，注射周期主要取決于鑄件的固化和冷卻。在每次注射時，固化熱量和鑄件中的絕大部分熱量在開模前必須傳遞出去。這種熱量的轉移必須通過模具來進行。同時，控制因素是模具材料中的熱傳導，這種熱傳導除了幾何尺寸因素外，取決于材料本身的導熱性。
因此，模具材料的導熱性使?jié)撛诘某尚椭芷谟辛艘粋€確定的極限。導熱性越高，縮短成型周期的可能性也越大，從而提高了生產(chǎn)率。這樣，壓鑄鋁和黃銅，理想的模具材料或鋼材必須具有以下主要性能：
⒈高熱強度(熱硬性)
⒉高耐熱性
⒊高韌性/延性
⒋低熱膨脹性
⒌高導熱性
優(yōu)質H13鋼的研制
多年來，H13熱作模具鋼已成為壓鑄模的最主要材料。它基本上具有上述各點特性，能滿足壓鑄的需要。近幾年來，商用H13( UDDEHOLM ORVAR SUPREME)鋼的質量逐步得到改善，因此提高了模具工作性能和安全性。最新的進展是引進幾年前稱之為優(yōu)質的H13鋼。目前，大多數(shù)壓鑄工作者熟悉了兩種不同的H13鋼(優(yōu)質和標準)的質量及兩者之間差別的重要性。
一個有趣的問題是，關于上述關鍵因素和性能，究竟改進了多少?從根本上來說，它仍然具有相同的合金元素成分。但是由于在鋼的冶煉過程中進行了很大的改進和專門開發(fā)了工藝，使其質量得到很大的改進。這樣，包括電渣重熔、特殊熱加工工藝和多次熱處理的特殊冶金處理，使得該優(yōu)質材料能去除夾渣、雜質、甚至對大尺寸鋼坯在偏析和顯微組織方面也能做到極端的均勻一致。
這就意味著與標準的H13鋼相比，其潛在的韌性/延性有了重要的改善，甚至在大型坯料中心也這樣，其機械性能更具有各向同性的特點。優(yōu)質H13鋼僅僅只改善了最關鍵的一個性能。如表l所示，改善韌性減少了微裂紋的產(chǎn)生，并提高了抗熱裂紋的能力，這是因為韌性較高的鋼能以較高的工作硬度被使用。這表明與標準H13鋼相比，優(yōu)質H13鋼將大大地提高模具壽命，并使模具更安全。Uddeholm公司的經(jīng)驗認為模具的平均壽命可提高25%。
近幾年來，這種開發(fā)伴隨著人們對模具熱處理興趣的不斷增加，已初步開展了對H13材料“優(yōu)質熱處理”的研究。
由于優(yōu)質H13鋼的開發(fā)已完全商品化，H13鋼的合金成分的整個潛在能力可能已被認識。為了進一步對模具鋼進行開發(fā)，必須提高其他關鍵性能。這多半只有通過研制新型合金成分才能完成。
新型優(yōu)質模具鋼
習慣上開發(fā)優(yōu)質壓鑄模鋼的途徑是研制更高合金化的鋼。這顯然對有些性能的提高是有利的，但是在大多數(shù)情況下，增加合金元素成分意味著韌性較差，而且導熱性也較低。例如：在七十年代初，高合金馬氏體時效鋼是加工壓鑄模最有希望的材料，但是其導熱性比H13鋼低得多，對于縮短成形周期，無疑是一種缺點。
近來Uddeholm公司按照相反的途徑，在開發(fā)優(yōu)質模具鋼方面下了一番功夫，旨在研制一種比優(yōu)質H13鋼更優(yōu)越的具有完美性能的新型鋼種，目前已以新型優(yōu)質模具鋼-超級QRO 90的形式進行商品化開發(fā)。QRO 90 SUPREME鋼在純度、顯微組織的均勻性、韌性/延性方面與優(yōu)質的H13鋼不分上下。另一方面，其具有最佳合金元素平衡的新合金成分，與優(yōu)質H13鋼相比，在其他重要性能上得到改善。
新合金是一種鉻鉬釩熱加工模具鋼，其基本成分為(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。以下是超級QRO 90鋼與優(yōu)質H13鋼的簡要比較。
熱強度：
測定該性能的最簡單方法是在高溫下進行拉伸試驗，并測量其屈服極限。參照經(jīng)淬火和回火到相同室溫硬度HRC45條件下的拉伸強度與試驗溫度的關系曲線圖可知，在同樣初始室溫硬度情況下，新合金的熱屈服強度(熱硬度也如此) 大大高于優(yōu)質H13鋼。在1200F時，其差值達60%之多。
耐熱性：
該性能表示模具在使用中承受高溫情況下抵抗逐漸軟化的能力。新合金的耐熱性比優(yōu)質H13鋼高得多，其差值在較高的溫度下更為顯著。
韌性：
該性能可用許多不同的方法來測定。近來，以無缺口沖擊試驗作為測定實際該類材料的棒料直徑，特別是這種各向同性的韌性和延性的關鍵試驗越來越被人們廣泛地接受。圖3為這種試驗的典型結果，新型優(yōu)質鋼的韌性和其各向同性程度與高級優(yōu)質H13材料相比毫不遜色，甚至在大尺寸棒材的芯部也如此。
圖4：淬火和回火條件下(HRC47)，在100~1200F溫度范圍內的熱導率
熱膨脹性：
對鋼來說，該物理性能不受合金成分的影響。這樣，具有體心立方晶格結構，包括優(yōu)質H13鋼和超級QRO 90鋼的所有鋼合金的熱膨脹系數(shù)與鋼相同或接近，只有具有面心立方晶格結構的奧氏體鋼，如不銹鋼的熱膨脹系數(shù)變化很大。但在實際上使用錯了，是用了較大的一個。
導熱性：
與熱膨脹性相反，該物理性能受合金成分的影響很大。這樣一般對鋼來說，隨著整個合金元素的原子濃度的增加，導熱性逐漸降低。事實上新合金的合金元素的總原子濃度低得多，這導致在目前有意義的整個溫度范圍內導熱性顯著提高(大約20)，如圖4所示。
結論
新型超級QRO 90鋼與優(yōu)質H13鋼相比，有以下優(yōu)點：
⒈較高的熱強度和熱硬性
⒉較高的耐熱性
⒊同樣好的韌性和延性
⒋同樣低的熱膨脹性
⒌較高的導熱性。
當涉及有關關鍵因素討論時(見表1)。顯然這些優(yōu)點對所有這些因素起到積極的作用。例如，與優(yōu)質H13鋼相比，關于熱裂紋問題的模具壽命可望得到顯著的提高。同時也具有縮短成形周期的某些新的可能性。
因此，采用新型Uddeholm合金，可以進行昂貴的熱裂紋試驗(在室溫與1380F之間的溫度循環(huán)中的抗裂紋性能，每次循環(huán)之間采用快速空冷，初始條件：淬火與回火到HRC47)，其抗熱裂紋性比優(yōu)質H13鋼有著顯著的提高。
當然，評定新型模具材料性能的唯一可靠方法是進行壓鑄現(xiàn)場試驗。至今為止還沒有這種可用于QRO 90鋼結果。根據(jù)普通的原型QRO 80M的鋁壓鑄現(xiàn)場試驗結果與H13鋼相比較的現(xiàn)場經(jīng)驗表明，對于鋁壓鑄來說，其壽命為優(yōu)質H13鋼的兩倍(或超過)。由于這種新型鋼種具有顯著的優(yōu)點，估計將有更大的提高。
就鋁壓鑄來說，QRO 90鋼的優(yōu)越性能，使它在長期工作模具和熱裂紋問題嚴重的模具，甚至在大型模具中將成為最強有力的候選鋼種。另一方面，在黃銅壓鑄中，一般可推薦超級QRO90鋼來作為模具材料。
最后值得強調的是，新合金能夠用標準和優(yōu)質的H13鋼所采用的相同方法進行熱處理，甚至能用相同的奧氏體化溫度。這就意味著任何進一步為H13鋼而開發(fā)的優(yōu)質熱處理工藝也能適用于QRO 90鋼。
參考文獻：《Die Casting Engineer》1988.2 [瑞典] Lars Ake Notstr6m等
