H13钢压铸模具的表面改性

潘晓华1 朱祖昌2

（1艾福表面处理技术(上海)有限公司，上海 200030， 2上海工程技术大学，上海 200336）
中文摘要：着重介绍H13钢的化学成分及低Si高M¬0的改进方向，同时论述了压铸模具的表面PVD改性。
关键词：压铸模具，热处理，表面改性，物理气相沉积

1. 压铸模具和H13
国内有色金属压铸模具普遍采用H13热作模具钢。所谓热作模具是指对加热至再结晶温度以上的金属或合金进行塑性变形的和对液态的有色金属压制成型制造零部件的模具。
作为有色金属的压铸模具用钢一般应具有下述条件：（1）具有较高的淬透性，热处理时可采用冷却强度较小的介质和具有较小的热处理变形；（2）具有高的抗热裂性和耐热疲劳抗力，使模具经受激冷激热不易形成裂纹以及形成的裂纹不易扩展，避免模具失效；（3）具有高的抗热软化能力和抗高温磨损能力，使模具保持一定的高温强度和尺寸稳定性；（4）具有高的抗液态金属的粘焊（soldering）和化学冲蚀损伤，国内以熔化液态金属的熔损来表征。要达到这些兼具高温强度和高韧度要求，又有较高的高温硬度和抗磨损能力，主要由钢的化学成分决定，一般采用中碳含量（0.35～0.45％）和含Cr、W、M0和V等合金元素,合金元素总量在6~25%范围。
在美国，热作模具钢分为三种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢，全部以H命名。分别为H10～H19,H21~H26,和H42、H43[1]。用于Al合金压铸模的钢种，目前很普遍采用H13钢，它属于第一种。国内钢号为4Cr5M0SiVl。以前国内采用较多的3Cr2W8V钢的热疲劳性和韧度显得不足。
H13钢的含碳量在0.5％以下。美国AISI H13,UNS T20813, ASTMA681(最新版)的H13钢和FED QQ-T-570的H13的含碳量都规定为（0.32～0.45）％, 是所有H13钢中含碳量范围最宽的。我国GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1钢号的含碳量为（0.32～0.42）％和（0.32～0.45）％。德国DIN17350 X40CrM0V5-1和WNr1. 2344钢的含碳量为（0.37～0.43）％，含碳范围较窄[2]。北美压铸协会标准NADCA 207-90中对中高级H13钢的含碳量规定为（0.37～0.42）％。
铬和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力，所以该钢在空冷条件下能够淬硬。在6 barN2气体真空处理条件下可淬透直径为160mm[3]。但铬的加入会增加碳化物的不均匀程度，致使钢中会出现亚稳定的共晶碳化物，这种碳化物现在国内一般可用高碳铬轴承钢相关标准予以评定[4]。铬含量的提高有利于增加材料的热强度，但对韧度不利。材料中增加钼和钨，有人提出[5]，（1/2W+M0）的量至1％以上时，会使材料500℃以上进行回火时仍获得较高硬度，并具有二次硬化能力。H13钢的二次硬化能力不很明显，可参见资料[1]。提高V的含量，如V的量由0.4％（SKD6,相当于H11）提高至1%，使H13钢（SKD61）的热强度和热稳定性提高了，同时V也增加水冲洗抗力，实际上是提高水浸侵蚀磨损抗力（erosive wear）[1]。
另外，钢中加入W、M0、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素，能对奥氏体晶粒细化，也使溶入奥氏体后在回火过程中产生二次硬化效果。对Cr的加入形成的碳化物为M23C¬6型，其在1100℃奥氏体化时基本上溶解完了，（全部溶入奥氏体的温度是1160℃），这将决定H13钢的最佳奥氏体化温度处于1020～1080℃范围内[6]。
含Cr热作模具钢的含Si量都在0.80～1.20％，只有H19钢含Si量为0.20～0.50％。钢中增加Si的量除了固溶强化影响外，它能改进钢的高温抗氧化能力，直至800℃（1475℉）。但Si有损于韧度提高。现在H13钢的发展正在向低Si高M¬0的第二阶段进行，（发展第一阶段是提高H13钢的材质和热处理水平）。人们已逐渐认识到低Si的效果主要有：减轻材料的偏析，改善宏观组织均匀程度；减少凝固时液/固界面上成分过冷，改善结晶的微观组织和奥氏体晶粒细化；提高钢的韧度以及抗热裂能力和减低高温疲劳裂纹扩展速度以及高温蠕变裂纹扩展速率；延缓钢的贝氏体转变。同时增加M0的量至3％左右，日本低Si高M0的SKD61的成分范围为：C（0.30～0.40％）、Si（0.05～0.30）、Cr（4.9～5.5%）、M0（2.0～3.5％）和V（0.50～1.20％）。相应低Si高M0的德国钢号为1.2367，其成分为C 0.40％， Si 0.40％，Cr 4.95％， M03.0％和V0.9％。 M0的量提高至3.0％，则使钢的淬透性提高，防止奥氏体晶界碳化物的析出和延缓贝氏体转变；提高回火抗力和韧度；提高高温强度和高温蠕变强度；提高抗热裂能力。关于延缓贝氏体转变，有资料报导：对610×203×500mm的H13模块经3 bar（约3atm）气淬后心部和表面的贝氏体量达70％和40%，而对低Si高M0SKD61钢相应仅有2％和1%[7]。这对模具使用寿命提高十分有利。我国的一种新型热作模具钢3Cr3M03VNb的M0量也为3%（范围为2.70～3.20％），Si的量为≤0.60％，其性能优良的一个原因也应归咎于低的Si高M0的。
2.H13钢的表面改性
压铸模具的使用寿命决定于很多因素：模具设计的合理性，模具材料选择正确性，模具机械加工和热处理工艺的合理正确制订，当然还应涉及模具的使用条件和维护。其中模具材料的质量和热处理是相当重要的关键因素。热处理应包括整体工件的热处理和工件的表面改性。相关的标准主要有北美压铸协会标准、法国汽车工业会、德国钢铁协会、材料协会和压铸协会的标准，还有通用汽车、福特汽车的推荐标准等。对H13钢整体热处理和检测十分重要，我们将另有专论。
H13钢锻模和铝合金压铸模的表面改性目前主要在以下两个方面：（1）铁素体氮碳共渗和硫氮碳共渗技术和（2）PVD涂层技术。国内外在这两方面进行的研究论文有了发表，但具体工业应用报导不多。专门从事材料表面改性技术的法国HEF集团在一些国际性会议上以论文形式报导了H13钢表面改性工业应用的实例，同时艾福表面处理技术（上海）有限公司（HEF Shanghai）结合舍福表面处理技术有限公司（TS Shanghai）的实践汇同国外的相关文献（尤其是NADCA的专家和Case Western Reserve 大学教授的工作）作一定描述。
国内普遍认为，热疲劳发生龟裂损伤和热磨损是热作模具失效的两大主要原因。这方面，国外的相关文献叙述得十分明确：模具的损坏和限制模具寿命上升的三个机制为：1)液态金属铝的粘焊（soldering）和化学冲蚀损伤。2)磨损和腐蚀。3)热疲劳开裂。其中1)是最重要的失效机制。他们提出采用铁素体氮碳共渗和离子氮化能显著提高工具钢的模具寿命。国内有关铝熔损的试验指出，当模具材料硬度为45HRC时，未表面处理的铝熔损率高达54.90％时，当采用盐浴硫氮碳共渗，其熔损率仅为0.10％，当采用盐浴氮碳共渗（软氮化）后在加上PVD处理时，熔损率更明显降低至0.10％。由此可见H13钢的表面改性的效果十分明显。
解决H13钢表面改性问题的最佳途径是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被铝合金熔液润湿，同时涂覆的硬膜也赋予模具材料表面的腐蚀磨损抗力。HEF集团对汽车转向操作系统的铝合金工件压铸成型模具中的挺杆（38CDV5，相当于H13钢）表面沉积3μm厚的CERTESS SD 涂层，其硬度可达4000～4500HV，使用温度可达800℃，还可抗铝合金的黏结，使用寿命提高至10万次，是未进行沉积处理挺杆的6~7倍。
对如何获得这种不被液态金属润湿的硬质膜， Colorado School of Mines(CSM)的D.Zhong和J.J.Moore等[8]提出多层优化涂膜的结构是：①先对H13模具基体进行表面改性，如采用铁素体氮碳共渗或离子渗氮；②50～100nm的结合中间层（adhesion interlayer）如Ti或Cr；③调整基材和涂层之间由于压铸作业引起的热残余应力的中间过度层（intermediate graded layer），这可应用有限元模拟方法确定，他们举例认为，这取决于所选的工作硬化层，当工作层选用Al2O3层时，这中间过渡层为Ti－Al－N梯度层；④工作涂层，与液态金属或玻璃不相润湿（non wetting），对Al合金压铸，可采用CrN，TiAlN，TiCB和Al2O3等。相应多层结构膜总厚在5～8μm之间。
在模具工件上通过PVD技术获得优异质量的涂层，应该依赖于高性能的设备和能优化选择的工艺参数。这种设备最好具有下述技术要求：①涂覆处理温度低；②绕涂性好；③涂层沉积均匀；④采用增强离化率技术；⑤精确的涂层成分控制；⑥一定的沉积速率；⑦能进行多层复合涂；⑧能得到纳米结构的涂层；⑨具有PVD和CVD的工作模式；⑩能边涂覆边刻蚀，获得最佳的涂层质量。
法国HEF集团发展并应用等离子体增强磁控溅射（PEMSTM）技术对涂层的沉积过程进行精确的控制。应用PEMSTM技术可以达到涂层最高理论密度。HEF集团真空涂层设备和技术因此在世界上处于领先地位。概括地说，HEF的设备和技术的主要优势在于：
1) 可以独立地对离子的流量和能量进行控制，从而得到最高密度和性能的涂层；
2) 采用独特的OES系统对等离子体波长进行测量，实现涂层成分的精确控制；
3) 获得的所有硬质涂层都具有纳米级（≤20nm）结构；
4) 低电压、高真空度环境下均匀的轰击，可以极大地减弱尖角效应；
5) 在抽真空的同时进行加热，充分迅速地去除水分，获得优质、高效的沉积效果；
6) 最低处理温度可达到80℃，可用于对几乎所有材料，包括铝合金和聚合物材料进行涂层加工；
7) 一台设备同时拥有PVD和PACVD加工模式，给客户的技术升级以充分的支持。
法国HEF集团通过艾福表面处理技术（上海）有限公司已在上海舍福表面处理技术有限公司（上海松江）投资引入两种系列的PVD/PACVD设备，现在能涂覆的硬膜涂层主要有CrN、CrxNY、TiN、TiBN、TiCN、TiALN和类金刚石DLC膜，他们对PVD涂膜前的H13钢基材等的表面改性采用液体硫氮碳共渗或液体氮碳共渗也具有鲜明特色，称作为Sursulf/Arcor（舍舍夫/阿可）技术或Tufftride/ Tenifer（由其2001年并入HEF集团的德国子公司Durferrit提供）。相关
介绍可参见本期广告及《模具工程》今年第四期论文。
3 结束语
1) H13钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢，具有高的淬透性和抗热裂能力。很多场合应用于制造铝合金压铸模具。
2) H13钢的国内牌号为4Cr5M0SiVl，现在正在向低Si高M0方向发展。
3) H13钢的表面改性主要有铁素体氮碳共渗或者硫氮碳共渗以及物理气相沉积硬膜等方法，更为优越的办法是这些方法进行合理组合。
Surface Modification for Die Casting Moulds of H13 Steel
Abstract: This paper deals with the chemical composition of H13 steel and its improvement of approaching lower silicon and higher molybdenum. Then,it discusses the surface modification for these die casting moulds with PVD processing.
Keyword: die casting mould, heat treatment, surface engineering, physical vapor deposition

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