新型热冲压模具钢锻造模块热处理工艺及热导率研究

马 野，王 琳，刘宝石，燕 云

抚顺特殊钢股份有限公司技术中心（辽宁抚顺 113000）

1 引言

随着汽车行业的高速发展，汽车轻量化和安全性的要求不断提高。超高强度钢板在汽车制造上的应用越来越广泛，其已经成为减轻车身重量和提高车身碰撞强度及安全性的重要途径。这些高强度钢板主要使用热冲压加工方法成形，制造成汽车零部件，热冲压成形技术是指将汽车用钢板经过900℃～950℃的奥氏体化加热之后，快速移动到热冲压模具内，快速冲压成形，在压机保压状态下通过布置有冷却水道的模具对零件淬火冷却（并要保证一定的冷却速度），使钢板组织转变为均匀的淬火马氏体，钢板强度增加到1,500MPa左右甚至更高，从而提高钢板强度的先进工艺。

热冲压成形技术工况复杂，热冲压模具是热冲压成形工艺的核心技术，在热冲压过程中，钢板的成形和冷却淬火都是在热冲压模具内完成，模具的失效模式主要有长期冲压产生的磨损以及反复冷热应力作用下产生疲劳导致的失效。在影响模具使用寿命的诸多因素中，磨损是最重要的因素之一，其主要与模具硬度有关，热冲压加工时，将钢板加热到高温，由于氧化铁皮和镀层钢板的凝着，使模具发生磨损，提高硬度可以提高模具的耐磨性。另一重要因素是热应力疲劳，热冲压模具在整个生产周期中，承受着25℃～900℃的温度变化热应力，而且一般情况下，每分钟进行热冲压成形2～7个冲压件，因此，热冲压模具承受的温度变化和速度变化较高。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验用钢采用真空精炼＋电渣方式冶炼，化学成分设计如表1所示。试验材料模铸成3t电渣锭，采用3,500t快锻机锻造成材200×600mm扁钢。

表1 试验钢的化学成分

2.2 试验方法

试验用钢退火工艺是在850℃～860℃保温，保温后缓慢降温后退火出炉，试样取于扁材横截面上。

试样的化学成分利用光谱仪分析。试样的淬、回火组织利用金相显微镜进行观察和分析，金相试样采用4%硝酸酒精溶液腐蚀。在钢材横截面取试样进行热导率检验，利用激光导热仪和红外检测器进行分析。试样经不同温度下淬、回火处理后的硬度，利用洛氏硬度计进行测定。

3 试验结果与分析

3.1 化学成分

试验钢合金成分如表1所示。从表1可以看出，试验钢材合金元素Si、Mn、Cr含量较低，主要合金元素为Ni、W、Mo，一般来说，钢的耐磨性随钢的硬度增加而升高，钢中添加W、Mo等碳化物生成元素，形成M7C3、M6C、MC等硬质碳化物，可提高钢材的硬度和耐磨性。日本研究人员研究了影响热导率的化学元素，发现随着Si、Mn、Cr元素的增加热导率降低，特别是Si元素显著降低热导率。从本实验钢材化学成分设计可以看出，设计的化学成分有利于提高钢材的耐磨性和热导率。

3.2 热处理工艺

热处理工艺对钢材的硬度和组织具有很重要的意义，淬火热处理是使退火组织中一定数量的合金碳化物溶解于奥氏体组织中，淬火后可得到较细的组织。本文试验钢淬火选择在960℃～1,100℃温度区间，在8个温度下进行油淬试验（每20℃为一间隔），淬火后的硬度变化趋势如图1所示。

从图1中观察可得到，在960℃～1,060℃温度之间，随温度的升高硬度从46.6HRC提高到50.3HRC，继续提高淬火温度硬度急剧下降，1,100℃时硬度达到最低48.0HRC，对淬火的试样进行金相组织观察，分析主要是因为出现较大的板条马氏体造成的，如图2所示，脆性增加。从金相组织照片中可看到，图3为1,060℃时的淬火组织，细小的马氏体组织与残余奥氏体，而在1,100℃时（见图2）为粗大的板条马氏体组织，这种粗大的马氏体组织会降低材料的强度，增大材料的脆性，硬度也会随之降低，影响材料的使用性能。结合图1、图2、图3及上述分析，可得到试验钢的最佳淬火温度为1,060℃。

图1 试验钢淬火硬度曲线

图2 试验钢淬火金相组织1,100℃

图3 试验钢淬火金相组织1,060℃

为使钢材获得良好的综合性能和稳定的组织，一般淬火后钢材需经过两次到3次的回火热处理，形成稳定的回火组织和硬度，提高钢材的性能。本文试验钢采用1,060℃淬火后，选取在200℃～650℃温度范围内进行回火，考察试验钢在此温度区间的硬度变化情况，如图4所示。

图4 试验钢回火硬度曲线1,060℃

试验钢在200℃回火时硬度达到50HRC，随温度的升高试验钢在580℃回火时硬度达到51.5HRC，随温度的继续升高回火硬度呈现缓慢下降趋势，在600℃开始硬度下降速度明显增加，最后达到650℃时硬度值为38HRC。有人认为，在500℃～600℃回火时因纳米间隙相M2C和MC碳化物析出，提高了回火马氏体的硬度而出现二次硬化现象；还有一种原因是回火时残余奥氏体向马氏体转变，使硬度提高。但是从本试验钢的硬度曲线上看到，并没有出现明显的二次硬化峰值，这种现象有人解释为马氏体回火硬度随温度变化，由合金渗碳体抗粗化能力的提高而导致回火软化减弱。至于本试验钢未出现二次硬化现象的根本原因还需进一步研究。图5、图6、图7分别为400℃、600℃和650℃回火金相组织。根据金相组织观察，400℃时可观察到一定数量的细小渗碳体，为回火屈氏体组织，500℃和600℃为马氏体组织，650℃的回火组织中可见大量的粒状珠光体，该组织会降低硬度，回火硬度迅速降低到38HRC，所以该钢建议的回火温度为500℃～600℃。

图5 试验钢回火金相组织400℃

图6 试验钢回火金相组织600℃

图7 试验钢回火金相组织650℃

3.3 热导率

目前通用的合金材料热导率（λ）计算公式为：

λ＝αρCp

式中 α——热扩散率

ρ——密度

Cp——比热容

可知只要测得α、ρ、Cp随温度变化的具体数值，就可以得到模具材料的热导率随温度的变化关系，热冲压模具市场使用最多的是H13钢。本实验材料与H13钢热导率经过测试，进行对比结果如图8所示，从图8中的测试结果可以看出，实验钢在室温时热导率达到49W/（m·K），随温度的升高热导率缓慢降低，试验钢在600℃时热导率为41W/（m·K），在400℃～600℃时变化趋于平稳，H13钢在室温时热导率24W/（m·K），随温度的升高热导率提高，试验钢在600℃时热导率28W/（m·K），在400℃～600℃时变化趋于平稳，通过试验对比，试验钢材比目前市场使用的H13钢热导率提高30%以上。

图8 试验钢和H13钢的热导率对比曲线

4 结论

（1）根据化学成分对钢材耐磨性和热导率影响的经验，降低试验钢材的Si、Mn、Cr合金元素，提高Ni、W、Mo合金元素，设计的化学成分有利于提高钢材的耐磨性和热导率。

（2）通过热处理试验及金相观察分析，得到试验钢材的最佳淬火温度为1,060℃，最佳回火温度为500℃～600℃。在以上淬、回火温度下进行的试验钢材，可以得到该试验钢材在模具应用上的硬度和组织。

（3）通过热导率的试验测试分析，试验钢热导率达到41～49W/（m·K），通过试验对比，试验钢材比目前市场使用的H13钢热导率提高30%以上。