韋 韡，周江奇，李恒佰，李開文，趙 亮，元 莎

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545005； 2.寶山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，上海 200940；3.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044）

前言

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽車模具的需要也日益增多。對(duì)于自主品牌汽車企業(yè)，由于品牌溢價(jià)能力較弱，成本控制的壓力遠(yuǎn)大于合資品牌。隨著汽車法規(guī)不斷嚴(yán)格，大量的高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼被廣泛應(yīng)用于車身制造，相應(yīng)地，越來越多的模具需要采用高性能模具鋼進(jìn)行制造，尤其以汽車大梁、副車架上下片、加強(qiáng)板關(guān)鍵零件最為典型。

由于大量?jī)?yōu)質(zhì)模具鋼被用于高強(qiáng)度鋼零件制造，導(dǎo)致模具成本不斷增加。據(jù)估算，模具鋼在模具總質(zhì)量中只占約11%，但是由于其成本高，尤其是表面處理費(fèi)用昂貴，模具鋼成本在模具成本中所占比例高達(dá)63%。國(guó)內(nèi)高端模具鋼市場(chǎng)長(zhǎng)期以來被進(jìn)口模具鋼占領(lǐng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)每年需從國(guó)外進(jìn)口10萬t高端模具鋼，進(jìn)口材料價(jià)格約為國(guó)內(nèi)材料的2～3倍，加大了整車企業(yè)的成本負(fù)擔(dān)，不利于自主品牌車企的向上持續(xù)發(fā)展。

傳統(tǒng)的SKD11類型鋼，屬于高碳高鉻的Cr12類鋼，其硬度很高但韌性稍差，尤其是焊接性能不佳，模具補(bǔ)焊、熱處理較容易出現(xiàn)開裂。為克服該問題，國(guó)內(nèi)外多家鋼廠開發(fā)了改進(jìn)型高鉻冷作模具鋼，技術(shù)方案在成分上降低Cr和C含量，在保持原鋼種高硬度和高耐磨性的基礎(chǔ)上，改善其韌性。其中，東北特鋼開發(fā)的Cr8類鋼將 Cr含量降低到7.5% ～8.5%，C含量為1.6%～1.9%，并將其他微量元素進(jìn)行了優(yōu)化。寶鋼特鋼根據(jù)國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的部署，新開發(fā)了HNC53冷作模具鋼，其目標(biāo)是通過成分優(yōu)化設(shè)計(jì)、電爐真空精煉和電渣重熔的冶煉工藝控制及采用大鍛造比的鍛造變形工藝等全流程的研究和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化生產(chǎn)和應(yīng)用，以替代進(jìn)口材料所占據(jù)的高端模具鋼市場(chǎng)。

本文中從模具實(shí)際使用工況出發(fā)，基于汽車高強(qiáng)鋼模具對(duì)于模具材料的主要要求，選取兩種典型的Cr8類材料——國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的牌號(hào)為DC53模具鋼，日本高周波鋼廠（KOSHUHA）生產(chǎn)的KD11MAX模具鋼，與本課題組開發(fā)的HNC53材料進(jìn)行對(duì)比，分析化學(xué)成分、顯微組織、沖擊韌性、屈服強(qiáng)度、TD皮膜附著性、熱處理和表面處理后尺寸穩(wěn)定性等，以評(píng)價(jià)和分析其所處的技術(shù)水平。

1 材料成分設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)

由于傳統(tǒng)的SKD11模具鋼屬于高碳高鉻萊氏體鋼，其碳化物顆粒粗大且不均勻，造成韌性不良而降低模具使用壽命，本課題組開發(fā)的HNC53通過成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少C、Cr含量以抑制萊氏體共晶碳化物形成，使M7C3碳化物微細(xì)均勻少量析出，從而提高塑性和韌性。由于該鋼含有少量過剩的一次碳化物的馬氏體類型，同時(shí)提高了Mo的含量，材料經(jīng)高溫回火后在獲得高硬度的同時(shí)又可獲得更高強(qiáng)韌性。為比較幾種材料的成分，分別在100 mm×100 mm×50 mm的試樣上各切一塊20 mm×20 mm×20 mm的試樣進(jìn)行直讀光譜化學(xué)成分測(cè)試，表1為3種材料的化學(xué)成分。

表1 原材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

總體看來，3種材料的化學(xué)成分相差不大。尤其Cr和C元素，各模具廠對(duì)于硬度的控制有很高的共識(shí)，微量元素方面，國(guó)內(nèi)牌號(hào)Mo含量約為國(guó)外品牌的2倍，由于Mo可強(qiáng)烈促進(jìn)形成碳化物，對(duì)提高模具鋼的強(qiáng)度和硬度有利，且該元素可有效增加淬透性，提高組織的均勻性，HNC53關(guān)鍵成分含量與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。對(duì)于S、P元素的控制，HNC53含量最低，尤其是S含量?jī)H為0.004%，由此可見電渣重熔工藝對(duì)雜質(zhì)元素的去除效果顯著。KD11MAX中Mn元素比國(guó)內(nèi)牌號(hào)高了約一半，錳能增加碳化物的穩(wěn)定性，提高強(qiáng)度、硬度，但其是嚴(yán)重的偏析元素，會(huì)降低韌性和塑性，因此對(duì)其含量的控制國(guó)內(nèi)鋼廠比較謹(jǐn)慎。尤其應(yīng)當(dāng)注意的是，國(guó)外材料中測(cè)出約0.1%的S元素，該元素在國(guó)內(nèi)鋼廠往往作為有害雜質(zhì)元素嚴(yán)格控制，大多要求控制在0.01%以下。而國(guó)外鋼廠則進(jìn)行了添加和控制，有利于改善模具鋼的切削性能。

由此可見，國(guó)內(nèi)鋼廠對(duì)于模具鋼成分的設(shè)計(jì)采用了比較保守的策略，尤其是涉及具有兩面性的元素，這也暴露了國(guó)內(nèi)鋼廠基礎(chǔ)研究比較薄弱，對(duì)于多元合金體系的交互影響，多變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)等方面存在不足。

生產(chǎn)工藝方面，HNC53在常規(guī)電爐冶煉的基礎(chǔ)上增加了一道電渣重熔工序，以改善合金元素偏析，得到均勻化的合金成分。同時(shí)，為改善碳化物分布，重新制定優(yōu)化了多向鍛造工藝，采用大鍛造比對(duì)共晶碳化物進(jìn)行充分破碎，以得到均勻細(xì)小的顆粒組織。

2 顯微組織分析

2.1 低倍組織分析

在HNC53原材料X、Y、Z 3個(gè)方向分別取樣進(jìn)行金相分析，其組織形態(tài)如圖1所示。在不同方向該基體組織均以粒狀珠光體為主。然而作為共晶萊氏體鋼，影響其組織性能的關(guān)鍵在于共晶碳化物的形態(tài)和分布。從圖1中可見，X、Y兩向，在珠光體基體上均彌散分布有白色塊狀的共晶碳化物，在500倍顯微鏡下觀察到該共晶碳化物具有明顯地條帶狀特征，應(yīng)為該共晶碳化物在晶界形成后，經(jīng)多次鍛打后導(dǎo)致。值得指出的是，在Z向未觀察到明顯的共晶碳化物。

圖1 HNC53不同方向金相組織圖片

圖2 為3種材料的金相組織對(duì)比。HNC53與KD11MAX共晶碳化物分布較為彌散，國(guó)產(chǎn)DC53材料共晶碳化物分布不均勻，局部出現(xiàn)大塊的碳化物。在500倍顯微鏡下觀察，HNC53和KD11MAX共晶碳化物形態(tài)和大小較為相似，碳化物呈現(xiàn)一定的方向性，最大的碳化物長(zhǎng)度約25μm，寬度約12μm。國(guó)產(chǎn)DC53碳化物長(zhǎng)度約40μm，寬度約20μm。由此可見，HNC53在碳化物形態(tài)和控制上有了較大的進(jìn)步，接近進(jìn)口材料水平。

圖2 3種材料金相組織對(duì)比

2.2 SEM組織分析

圖3 為3種材料在SEM下的顯微組織。其中，HNC53和KD11MAX中共晶碳化物分布較為均勻，HNC53以條狀和球狀為主，KD11MAX以球狀和塊狀居多，而國(guó)產(chǎn)DC53在視場(chǎng)中明顯可見成片的大塊共晶碳化物。

圖3 3種材料SEM下的顯微組織×2000

在5 000倍的SEM下觀察如圖4所示，對(duì)碳化物顆粒進(jìn)行尺寸統(tǒng)計(jì)分析，HNC53珠光體中碳化物尺寸在0.5～1.2μm，DC53珠光體中碳化物尺寸在1～2μm，KD11MAX珠光體中碳化物形態(tài)介于球形和短棒狀，寬度約為 0.5μm，長(zhǎng)度約為 0.5～1.5μm。整體看來國(guó)產(chǎn)DC53共晶碳化物較多且顆粒較大；HNC53與KD11MAX共晶碳化物較均勻且顆粒比較小，小顆粒狀珠光體似球形。

圖4 3種材料SEM下的顯微組織×5000

2.3 能譜分析

圖5 為3種材料中碳化物的能譜圖。橫坐標(biāo)為不同元素的能量譜，根據(jù)電子束激發(fā)元素原子X射線能量，keV；縱坐標(biāo) CPS（count per second）為每秒計(jì)數(shù)，最后通過峰值面積來確定元素所占的比率，eV。

表2為3種材料中碳化物成分比較。其中，HNC53大顆粒共晶碳化物能譜分析顯示其成分富集Cr、Mo、V等元素，尤其是Mo元素，達(dá)到8.68%，是3種材料中最高的，國(guó)產(chǎn)DC53中大顆粒共晶碳化物能譜分析顯示其成分富集Cr、Mo、C元素，但是V元素貧化嚴(yán)重，KD11MAX大塊狀共晶碳化物也是富含高Cr、Mo、V和C的化合物，其主要元素與HNC53基本一致。

表2 3種材料中碳化物EDS成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖5 3種材料中碳化物的EDS能譜圖

3 服役性能分析

3.1 機(jī)械性能分析

3.1.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

由于模具服役過程中受力狀態(tài)非常復(fù)雜，對(duì)模具鋼材料的各向同性要求較高。故對(duì)3種材料兩向力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。HNC53材料在X、Y兩向的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎重合，其一致性甚至優(yōu)于進(jìn)口材料。而國(guó)產(chǎn)DC53應(yīng)力應(yīng)變曲線偏離較為明顯，材料質(zhì)量穩(wěn)定性和各向同性較差。

3.1.2 斷裂韌度分析

將3種材料在X、Y方向按GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》取樣，進(jìn)行V口沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由此可見：HNC53無論從沖擊功的值，還是X向和Y向沖擊功的差異，都已經(jīng)達(dá)到進(jìn)口材料水平；而某國(guó)產(chǎn)牌號(hào)材料X向與Y向沖擊功差異較大，最小值僅為最大值的43%，材料的各向異性非常明顯。

圖6 3種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表3 新型模具鋼與其他材料沖擊功比較

3.2 尺寸穩(wěn)定性分析

由于高強(qiáng)鋼模具往往采用如圖7所示的鑲塊結(jié)構(gòu)，調(diào)試難度較大，一般需要零件質(zhì)量穩(wěn)定后再進(jìn)行熱處理和表面處理，如果模具鑲塊尺寸波動(dòng)，拼接后會(huì)出現(xiàn)縫隙、臺(tái)階或者干涉而無法裝入，在制件表面產(chǎn)生劃傷等缺陷，給后期的安裝和調(diào)試帶來不利影響。因此要求在整個(gè)開發(fā)使用過程中模具變形不大于3‰。

圖7 高強(qiáng)鋼模具鑲塊結(jié)構(gòu)

參考模具鑲塊的形狀，設(shè)計(jì)了單側(cè)開槽和中間開槽兩種測(cè)量試樣，如圖8所示。通過X、Y、Z 3個(gè)方向的變形量來評(píng)估模具材料的尺寸穩(wěn)定性。

圖8 變形量測(cè)量試樣

圖9 為HNC53模具鑲塊在不同階段的變形量。由此可見：X和Y向熱處理后尺寸均變大，10～30天尺寸仍然有變化，應(yīng)該與殘余應(yīng)力的釋放有關(guān)，30天與60天后變化不明顯，尺寸基本保持穩(wěn)定，X方向最大變化率為1.25‰，Y方向最大變化率為1.33‰；Z向尺寸變化相對(duì)復(fù)雜，尤其是中間開槽的試樣，在心部尺寸縮小，即出現(xiàn)了凹陷，變形不均勻，尤其可見，模具鋼的變形與模具鑲塊的形狀影響較大，這種變形不均勻度在熱處理后10天達(dá)到極大值，隨后凹陷逐漸恢復(fù)，在變形60天后達(dá)到較為穩(wěn)定狀態(tài)，Z向尺寸最大變化率為1.58‰。由此可見，對(duì)于異形鑲塊的熱處理，不宜馬上進(jìn)行安裝和調(diào)試，應(yīng)當(dāng)待其尺寸恢復(fù)后進(jìn)行裝調(diào)更為有利。

3.3 覆層質(zhì)量分析

HNC53進(jìn)行熱處理后，表面硬度達(dá)到HRC62。對(duì)TD處理后的材料進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果如圖10所示，觀測(cè)到TD處理皮膜厚度10μm，基體組織均勻，無明顯大塊碳化物。對(duì)比的某其他材料，在TD處理后，基體組織存在大塊碳化物，其對(duì)于皮膜具有明顯的犁耙效應(yīng)，尖銳的碳化物邊界容易侵入皮膜中，高強(qiáng)板成形過程中由于對(duì)模具產(chǎn)生較高的面壓力，模具鋼母材會(huì)發(fā)生塑性變形，TD皮膜被剝離，導(dǎo)致模具使用壽命降低。而HNC53由于基體組織均勻，碳化物分布彌散細(xì)小，提高了皮膜的密著性，皮膜不易開裂和脫落。

圖9 試樣變形量測(cè)量

圖10 變形量測(cè)量試樣

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖11為不同模具鋼制造的模具進(jìn)行汽車大梁零件生產(chǎn)得到的零件圖片。由于大梁前側(cè)截面變化復(fù)雜，成形過程中材料流動(dòng)劇烈，高強(qiáng)鋼板材與模具鋼材料互相摩擦，往往導(dǎo)致零件和模具表面出現(xiàn)拉毛等問題。由圖可見，國(guó)產(chǎn)DC53模具大梁側(cè)壁出現(xiàn)多條溝壑狀的拉毛缺陷，而HNC53模具生產(chǎn)的大量零件側(cè)壁光滑，未見明顯缺陷。

圖11 不同模具材料生產(chǎn)汽車大梁

在完成試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，該HNC53材料已經(jīng)用于多個(gè)車型的前大梁、后大梁等關(guān)鍵高強(qiáng)鋼零件沖壓模具的開發(fā)和使用。本課題開發(fā)的HNC53價(jià)格僅為進(jìn)口材料的2／3，以圖12所示后大梁模具為例，需使用模具鋼5 825 kg，僅一套模具就可節(jié)省材料成本11萬元，初步估計(jì)每年可為企業(yè)節(jié)省模具開發(fā)成本數(shù)百萬元。

圖12 汽車后大梁模具

5 結(jié)論

（1）HNC53的材料成分與進(jìn)口材料相當(dāng)，尤其是對(duì)P、S等有害雜質(zhì)的控制精度分別達(dá)到0.03%和0.005%的高標(biāo)準(zhǔn)。

（2）HNC53顯微組織以珠光體為基體，其上彌散分布有碳化物，碳化物最大尺寸約25μm×12μm，與進(jìn)口材料相當(dāng)，為對(duì)標(biāo)的國(guó)產(chǎn)材料碳化物尺寸的1／2，TD處理后其皮膜厚度10μm，基體組織均勻。

（3）HNC53強(qiáng)度和韌度與進(jìn)口材料相當(dāng)，X、Y兩向力學(xué)性能幾乎一致，較以往的國(guó)產(chǎn)模具材料有顯著提升；尺寸穩(wěn)定性較好，最大尺寸變化率為1.58‰，優(yōu)于3‰的標(biāo)準(zhǔn)。