北美四大压铸协会标准Cr5型热作模具钢的关键性能比较

高纯净H11 Modified-Superior (4Cr5Mo2SiV，H11改进型H11 (4Cr5MoSiV)、H13 (4Cr5MoSiV1) 和2367 (4Cr5Mo3SiV) 热作模具钢在高温下也表现出优异的热稳定性和强韧性。H11 Modified-Superior钢材适用于高压铸模、挤压模锻模，工业量产使用寿命长。

01

引言

与其它铸造方法相比，压铸是一种尺寸精度好、经济性强的方法，可以大大降低生产成本。

图1是影响压铸模具性能的因素。材料性能主要取决于钢种的选择。使用耐热裂纹、韧性和高温强度好的材料可以提高压铸模具的使用寿命。

 图1 影响压铸模具寿命的因素

02

四种Cr对比5型热作模具钢的主要性能

2.1 H11 Modified-Superior钢性能

研究了H11 Modified-Superior钢在980℃~1040℃之间，步长为20℃，不同奥氏体化温度对冲击韧性的影响(图2)。试样热处理至45 ±1HRC样品纵向和横向冲击功率表明：夏比V18型缺口平均冲击吸收功能J到24J冲击弯曲韧性的平均值为380 ~ 450 J奥氏体化温度在非常高的水平之间H11 Modified-Superior钢的横向和纵向韧性没有影响，在较小范围内波动

图2 奥氏体化温度对H11 Modified-Superior钢韧性的影响

   此外，还研究了不同奥氏体化温度和时间对回火硬度的影响(图3)。为了观察更明显的差异，选择960奥氏体化温度℃到1080℃更大范围，步长40℃，奥氏体化时间为30min、45min和60min。结果表明，淬火工艺性好，淬火温度范围大。综合考虑，建议淬火温度为1030-1040℃。

图3 奥氏体化温度不同H11 Modified-Superior钢的回火硬度

2.2 四种Cr5型热作模具的钢韧性比较

图4显示了不同试验温度H11 Modified-Superior常用钢等三种Cr5型热作模具钢无缺口冲击弯曲韧性对比结果，以25℃为步长，在-75°C到100°C两者之间进行冲击弯曲试验。

与其他热作模具钢相比，平均值超过320 J的H11 Modified-Superior钢在整个试验温度范围内表现出更高的冲击弯曲韧性。仅在研究温度范围内观察H从高韧性区到低韧性区，其它钢种的韧性基本保持在同一水平。

此外，还进行了示波冲击试验，试样位置和回火状态在试验过程中发生了变化。由于冲击锤的更大能量有限( 300 J )选择减小横截面( 5mmx10mmx55 mm )样品，结果如图5所示。

图5 不同回火硬度(45)±1HRC和50±1HRC）下示波冲击结果

在两种回火硬度状态下，H11 Modified-Superior钢的冲击吸收功率高于其他三种材料，特别是H11 Modified-Superior钢的挠度表明在锤击过程中具有很强的抗裂性。从力-挠度曲线下较大的区域可以判断H11 Modified-Superior钢裂纹萌生，特别是扩展到断裂所需的能量更高，因此H11 Modified-Superior钢的冲击吸收功率也较高。

2.3 抗热疲劳性能

测试四种热模钢的热疲劳性能，可在充满惰性气体的容器中加热冷却，避免样品氧化。样品尺寸为50mmx55mmx10mm，通过高频感应将样品固定在旋转轮上4秒至650℃，然后在恒定60℃冷却温水浴。

图6 热疲劳试验装置

所有样品均为横向样品，精细研磨样品表面，避免因研磨槽而产生裂纹。热疲劳试验结果为2000、4000、6000和8000次循环后的裂纹数量、更大裂纹长度和总裂纹长度，如图7和图8所示。H11 Modified-Superior钢具有较短的更大裂纹长度和较小的总裂纹长度之和。

图7 热疲劳裂纹试验统计结果

热疲劳行为受两种相反效应的影响。当局部应力超过屈服应力时，裂纹开始发生在循环载荷的作用下，可以通过高硬度减缓裂纹，但会降低韧性，增加断裂的风险。当裂纹发生时，良好的韧性有利于模具抵抗裂纹膨胀。由于压铸件的热疲劳是不可预防的，高压压铸模具的良好热稳定性和韧性更有利于减缓裂纹的膨胀。与其他三种钢材相比，H11 Modified-Superior钢在45±1 HRC韧性高，抗热疲劳裂纹能力高。

图8 热疲劳试样表面和截面裂纹形状

    热疲劳试样截面显微硬度梯度(图9)表明，与其他三种模具钢相比，H11 Modified-Superior钢硬度损失更小，高温强度优异。

图9 循环后8000次热疲劳试样截面显微硬度梯度

03

应用案例及使用寿命

以下是H11 Modified-Superior一些钢材应用成功的案例。

3.1 花键环

淬回火至45±1 HRC的H11 Modified-Superior花键环(图10)用钢。花键环直径约206 mm，厚度约为41 mm。该环是高压铸模的一部分，用于生产如图11所示的铝合金变速箱图11所示背面的安装孔相连。

图10 花键芯顶环

图11 铝合金变速箱

模具镶块的重量约为7 kg，使用2367钢，寿命可达5000-10000次，典型失效模式见图12。H11 Modified-Superior没有这种失效模式，钢的寿命可以延长到1000-14000次。

图12 典型的花键环失效形式

3.2齿轮箱

将H11 Modified-Superior钢用于齿轮箱模具（图13），维护前量产寿命可达6万模次。根据客户反馈，表面质量较好，毛刺去除和维护频率大大降低。图14显示了模具生产后零件的良好表面状态，模具仍在生产和使用中。

图13 齿轮箱模具及零件

图14 齿轮箱模具零件

04

结论

为提高热作模具钢的使用寿命，不同的应用条件需要不同的钢性能。通过高温稳定性和韧性的良好结合，可以实现高压压铸模具的抗热裂性。

   与2367、H11和H与13相比，高纯度H11 Modified-Superior钢（4Cr5Mo2SiV，H11改进钢）克服了前三种材料的缺点，表现出高温强度和韧性的完美结合，特别适用于高压压铸等压铸模具应力高、韧性好的应用条件，大大延长了模具的使用寿命。

翻译转载来源：

Markus Gürcan,Till Schneiders,PhilippNiederhofer. Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH & Co. KG,Germany. Properties and service life of the hot work tool steel for die casting applications [C]. The 11th TOOLING 2019 Conference & Exhibition.

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