长城特钢CT344A超级优质级热作模具钢研究开发_谢珍勇.pdf

长城特钢CT344A超级优质级热作模具钢研究开发谢珍勇1蔡武1任金桥1陈炜1陈文雄2张璨1（1.攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，四川 江油621701；2.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司，四川 成都 610300）摘要：为了提高模具及热作模具钢的使用寿命，增强国产热作模具钢的竞争力，长城特钢基于“高纯度、无偏析、等向性、超细化”等设计思路上，通过真空精炼、电渣重熔、高温扩散均质化、镦拔锻造、超细化热处理等核心工艺技术研制开发了NADCA#207标准S级超级优质热作模具钢，产品质量按国际先进标准严格验收，保证质量稳定性。产品与已经出现的超级优质级压铸用热作模具用钢进行了对比评估，结果表明CT344A钢横向心部冲击韧性核心关键性能与进口材料同等或更高，实物质量达到、甚至优于进口钢水平，适用于要求韧性好、抗热疲劳性高的热作模具。关键词：S级模具钢；韧性；热疲劳中图分类号：TG142.1+3文献标志码：B文章编号：1674-0971（2022）-004-05Research and development of CT344A super high qualityhot work die steel of Changcheng Special Steel Co.,LtdXie Zhenyong1,Cai Wu1,Ren Jinqiao1,Chen Wei1,Chen Wenxiong2，Zhang Can1（1.Jiangyou Changcheng Special Steel Co.,Ltd.,Pangang Group,Jiangyou,Sichuan,621701,China;2.ChengduAdvanced Metal Materials Industrial Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610300,Sichuan,China）Abstract：In order to improve the service life of dies and hot work die steels and enhance the competitivenessof domestic hot work die steels,Changcheng Special Steel Co.,Ltd has developed the NADCA#207 standardS-grade super high quality hot work die steels based on the design ideas of“high purity,non-segregation,isotro-pic,ultra-fine”through vacuum refining,electroslag remelting,high-temperature diffusion homogenization,upset-ting and drawing forging,ultra-fine heat treatment and other core technologies.The product quality is strictly ac-cepted according to the international advanced standards to ensure the quality stability.The product has been com-pared and evaluated with the existing super high-quality hot-work die casting steel,and the results show that thekey performance of CT344A steels transverse core impact toughness is equal to or higher than that of imported ma-terials,and the physical quality is up to or even better than that of imported steel,which is suitable for hot-workdies requiring good toughness and high thermal fatigue resistance.Keywords:S-grade die steel,toughness,thermal fatigue引言热作模具对模具材料要求极高，常见的主要失效机制有四大类：磨损、变形、疲劳破坏、裂纹。变形损伤形态出现在模具工作负荷应力高，同时模具硬度、强度较低的情况下。而裂纹损伤形态出现在工作负荷应力高，同时模具硬度较高的情况，而且模具硬度越高越容易发生。如果损伤形态属于变形或裂纹，模具寿命比较短。至于磨损则是较长寿命模具的损伤形态。疲劳破坏是在被变形、裂纹和磨损等现象包围的条件下发生的，数千数万次工作后疲劳裂纹大幅扩展，即所谓“低周疲劳现象”。例如热裂就是热应力引起的低周疲劳现象1,2。收件日期：2022-07-24作者简介：谢珍勇（1972-），男，工程硕士，高级工程师，1993年至今从事模具钢生产应用技术研发，现担任长城特钢模具钢专家工程师。特钢技术Special Steel Technology第28卷 总第113期2022年第4期Vol.28（113）2022.No.4DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2022.4052谢珍勇 蔡武 任金桥 陈炜 陈文雄 张璨：长城特钢CT344A超级优质级热作模具钢研究开发第28卷第4期热作模具的使用特点造成高端H13模具材料优异的断裂韧性无从发挥包括压铸模在内的其他热作模具虽然也存在模具寿命偏低的问题，但热作模具允许热疲劳龟裂发生后继续使用，使用中模具裂纹导致被加工件出现毛刺，但工件允许后期打磨修整，可以正常使用，但到热疲劳龟裂严重到一定程度后再把模具换下来进行修磨。所以模具寿命包括了裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段，其中裂纹萌生一般在 15003000 次，裂纹扩展通常在500050000次；一般高端模具材料具有优异的断裂韧性，裂纹扩展缓慢，从而能大幅度提高模具寿命。但是压铸模具生产的工件尺寸小、薄，数量巨大，无法实现工件后期打磨修整，所以只能利用模具材料的裂纹萌生功，而裂纹扩展功再高也没有意义。综上，影响热作模具使用寿命的关键因素是模具材料的热疲劳裂纹萌生。热疲劳裂纹的萌生是由于模具在使用中升温严 重，然 后 喷 水 冷 却，模 具 材 料 反 复 经 受600-800金属传导快速加热和20快速水冷的温度交替剧烈变化，导致巨大的表面热应力，当应力超过模具材料的屈服强度后就导致出现热疲劳裂纹3。为了提高模具材料的热疲劳裂纹萌生，需要提高材料的强度（初次使用硬度）和红硬性，即增大材料抵抗热应力的能力；同时保持材料有好的导热性以减小热应力。而片面提高强度（硬度）又会导致材料脆性增大，出现直接“爆模”即模具开裂的情况。所以热锻模的关键性能排序为强度（硬度、耐磨性）红硬性韧性导热性。高温屈服强度、抗回火软化性、导热性、热膨胀系数、塑性、韧性很大程度上是取决于模具材料钢种的选择。而同时为了获得高水平的塑性、韧性，模具钢制造工艺水平也是非常关键的，要尽量减少非金属夹杂物和一次碳化物，并减轻粗大二次碳化物和偏析的网状或条带状分布4。模具表面应力集中处萌生的脆性裂纹在拉应力下失稳传播导致开裂，根本原因是机械负载应力或热应力超过了可承受限度。防止开裂的一种办法是降低模具硬度。但高的硬度/强度有利于抗热疲劳、抗软化性和耐磨性，所以，选用更加优质模具钢的解决办法更加可取。现阶段我国仍需从日本、德国、瑞典等国家进口大量的优质模具钢，主要是因为国外优质模具钢能够大大延长模具的使用寿命。同样规格的产品，国产模具钢价格只有国外的1/5到1/3。近年来，我国的模具钢生产工艺和技术已经取得了长足的进步，随着技术的进一步成熟，国内的模具钢产品将逐渐替代进口产品5,6。长城特钢基于“高纯度、无偏析、等向性、超细化”等设计思路上，通过真空精炼、电渣重熔、高温扩散均质化、镦拔锻造、超细化热处理等核心工艺技术研制开发了CG、CT系列NADCA#207标准S级超级优质热作模具钢。1设计与生产1.1设计思路长城特钢基于NADCA#207标准S级热作模具钢标准主要从以合金化设计和生产制造两方面以H13 钢为基础研发出了高强度高韧性高寿命CT344A热作模具用钢。1.1.1CT344A合金化设计C含量：CT344A的C含量在0.37-0.42%，钢种中含碳量决定钢的硬度，增加碳含量将提高热作模具钢的强度和耐磨损性，降低碳含量有利于提高钢材的韧性。采用了高Mo设计：Mo溶于Fe中具有固溶强化作用，溶于奥氏体中能提高钢的淬透性。Mo是使钢具有二次硬化的主要合金元素，这是由于钢在回火时马氏体中析出Mo2C2。将Mo提高到 1.4%以上，既提高钢的淬透性同时提高的二次硬化峰值。减少S、P含量：提高了钢的纯净度，提高了钢的综合性能。减少钢中气体含量，避免了白点的产生且和疲劳性能降低。V含量的加入主要是细化CT344A的晶粒和组织，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效果，一般认为 V 加入 0.05%可细化晶粒，随着加入量增加，细化效果加强。即使温度趋近700，V的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小3。故CT344A的V含量提高到0.90%以上。1.1.2CT344A制造钢中非金属夹杂物破坏了金属的连续性，引起应力集中，在外界应力作用下，裂纹延伸很容易发展扩大而导致模具失效，而CT344A采用电炉加电渣重熔非金属夹杂物达到最高水平。在锻造加工用45MN压机快锻，采用1250 以上的长时间均质化处理并进行反复镦拔法锻造，总锻比8。进而提高钢材等向性，成分和组织的均 8特钢技术第28卷第4期匀性，细化晶粒，有利于提高抵抗裂纹萌生的能力，从而能显著提高CT344A使用寿命。1.2生产及测试方法CT344A生产采用流程为：电炉+LF+VD+模铸退火电渣重熔退火锻造退火探伤取样精整。为了提高电极棒的纯净度，CT344A采用真空冶炼电极棒。电渣重熔成730mm 电渣锭，锻造45MN压机快锻成材。实验所用试样在经组织细化处理的退火态材料上取样，规格185mm800mm(HW)。钢的化学成分使用德国OBLF QSN750II型光谱仪及美国力可公司Cs844碳硫分析仪测定。钢材在500倍下检验退火显微组织，在50倍下检验带状偏析，并按NADCA#207-2003标准评级图评级。冲击试样经1030奥氏体化处理30分钟后油淬，590回火2次，每次回火2小时，每次回火之间空冷至室温，热处理到4446HRC硬度后，进行心部横向V型缺口夏比冲击韧性试验，最高值和最低值应被去掉，要求剩余3个试验结果的平均值和最小值。晶粒度试样在保护性介质中（若采用非保护性介质，试样应适当留有加工余量）经101010保温30 分钟，分级淬火至73010保温30 分钟，然后空冷至室温。按ASTM E112 进行评级。1.3实验结果试验钢化学成分和非金属夹杂物评级如表1、2所示，CT344A化学成分完全符合NADCA#207标准中S 级标准，钢中O、N、H含量控制水平较高，As、Sn等残余元素含量较低，钢中夹杂物评级均满足要求。对实验钢的显微组织以及晶粒度进行评级结果如表3、表4所示。长城特钢开发生产的CT344A显微组织两次评级都为AS4，带状组织两次评级分别为BS2和BS1，晶粒度评级两次均为9级，完全符合NADCA#207标准。试验钢力学性能测试结果显示CT344A实验钢2mmV型缺口冲击功为21J和进口8407相当，无缺口冲击功远大于进口8407，结果表明CT344A钢横向心部冲击韧性核心关键性能与进口材料同等或更高，如表5。1.4实际使用效果长城特钢与汽车厂设计部门、热处理厂、压铸厂紧密合作，CT344A汽车压铸模具镶块的选材、钢材质量、加工、热处理、使用维护等“杀伤链”（KillChain）多个链条环节实施了最佳控制，获得了满意的实际使用效果，如图1显示 CT344A汽车压铸模具镶块实际装机 6 万模次后依然保持良好的情况。用户评价不低于日本进口材料，已进入批量化生产阶段。表1 CT344A主要化学成分Table 1 Main chemical compositions of CT344A标准及实验钢NADCA#207S级标准CT344AC0.37-0.420.38Mn0.2-0.50.39Si0.8-1.20.96S0.0030.0022P0.0150.008Cr5.0-5.55.20V0.8-1.00.96Mo1.2-1.751.49表2CT344A非金属夹杂物评级Table 2 CT344A non-metallic inclusion ratingAs/0.013Sn/0.007Pb/0.0035Sb/0.005Bi/0.0035O/0.0022N/0.012H/0.00005表3 显微组织评级Table 3 Microstructure Rating标准及实验钢NADCA#207标准CT344A显微组织AS1-AS9AS4AS4带状BS1-BS4BS2BS1表4 晶粒度评级Table 4 Grain size rating标准及实验钢NADCA#207标准CT344A晶粒度799表5 硬度及冲击Table 5 Hardness and impact value标准及实验钢NADCA#207 S级标准CT344AASSAB 84072mmV型缺口冲击功（J）测试值/20，23，21，20，22/平均值13.621237最小值10.820无缺口冲击（J）测试值/380，333，365，359，355203.58硬度（HRC）44-4645，46，46/92结 论目前国标 GB/T1299 中模具钢只检验化学成分、交货硬度、淬回火硬度，2014年新版也只检验夹杂物，而不检验关键的冲击韧性，和与韧性密切相关的显微组织项目。而NADCA#207标准对化学成分、显微纯洁度（非金属夹杂物）、显微组织、带状、晶粒尺寸、横向缺口冲击韧性、内部致密性（超声波探伤）都有严格要求，按国际先进标准验收能够保证热作模具钢的高品质。在NADCA#207标准中，优质级热作模具钢分为Premium和Superior两个级别：P 级（Premium优质级）是电炉精炼钢，通常允许不经过重熔，对纯度和冲击韧性要求较低；S 级（Superior 超级优质级）经ESR 电渣重熔或VAR 真空自耗重熔，纯度和冲击韧性要求高，是最高水平的热作模具钢，符合NADCA#207标准。S级热作模具钢高端产品制造成本和售价提高，但是模具寿命能够显著提高，更加符合模具经济学的特点。CT344A是长城特钢按照北美压铸协会NAD-CA#207 标准生产的SUPERIOR（超级优质）级H13 钢，采用了各种先进的冶炼、锻造、热处理工艺制程，并做了超细晶优化，具有优异的横向冲击韧性和抗热疲劳性。CT344A钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹；且抗粘接力强，与熔融金属相互作用小，广泛应用于热镦锻、热挤压和压铸模具的制造。特别是压铸模具生产的压铸件外观质量较好，模具使用寿命也较长，同时该钢还具有较高的热强性，是一种强韧兼备的优质廉价的钢种。长钢研制的CT344A超级优质级热作模具钢是在 NADCA#207-20032008 标准的 Superior 级H13基础上进一步加严，采用特殊的冶炼和锻造工艺，降低S、P含量，保护气氛电渣重熔，高温均质化消除组织偏析，以及锻后特殊的球化退火等先进工艺。其冲击性能，耐磨性显著优于作为研究基础的H13类常规材料，纯净度高，组织均匀，晶粒细小，具有高强度高韧性，适用于苛刻的压铸模工作环境，已经得到了实际装机应用。与进口模具材料的性能对比试验表明，长城特钢CT344A实物质量水平与进口8407相当或更好。参考文献1 曾艳压铸模具钢在热机械载荷作用下的微观组织演变行为研究D上海大学，20192 左鹏鹏压铸模具钢热机械疲劳行为及损伤机理研究D上海大学，20183 邓俊杰Mo含量对5%Cr系热作模具钢组织和冷热疲劳性能的影响研究D昆明理工大学，20214 陈杰，栾道成，胡志华，等电渣重熔H13型模具钢组织及力学性能研究J热加工工艺，2019，48(18)：146-1505 孟超材料、形状耦元、热循环温度对热作模具热疲劳性能的影响D吉林大学，20146 秦晨含稀土元素4Cr5MoSiV1钢夹杂物与组织的研究D内蒙古科技大学，20217 陆明和，田玉新，蔡海燕，等高温均匀化退火对H13钢芯棒带状偏析和冲击性能的影响J金属热处理，2010，35(8)：9-148 吴晓春，徐晓，唐文军大型钢模块的力学各向异性及其热疲劳性能：中国金属学会2003中国钢铁年会，北京，2003第28卷第4期谢珍勇 蔡武 任金桥 陈炜 陈文雄 张璨：长城特钢CT344A超级优质级热作模具钢研究开发图1.CT344A汽车压铸模具镶块实际装机6万模次后情况Fig.1 The situation of CT344A automobile die-casting dieinsert after 60000 die times of actual installation 10