随着汽车行业排放标准和安全标准的不断提高,汽车轻量化和安全是汽车制造业未来发展的必要方向。鉴于汽车轻量化和安全性能的要求,对高强度汽车结构钢板的需求日益明显。自21世纪以来,越来越多的热冲压部件被用于汽车。2018年,全球热冲压部件年产量超过5亿部,预计每年2000部.8%的速度增长。但目前国内热冲压生产线使用的模具材料主要依靠进口,性能差异较大。中国在十三五规划中明确提出,在热冲压模具钢方面,应开发具有自主知识产权的高导热性、高耐磨性和高韧性汽车钢板热冲压模具钢。
热冲压模具钢性能要求&失效形式
在钢板热冲压成型过程中,模具需要长时间接触加热空白。当奥氏体高强度钢板进入模具腔时,模具腔表面急剧升温,表面产生压力应力和压力应变,使模具需要良好的热强度和热稳定性;在压力保护过程中,零件通过冷却水道淬火,为了使模具能够快速带走钢板的热量,保证模具在工作过程中的精度,模具材料必须具有较大的导热性和较小的膨胀系数;当金属部件取出时,型腔表面受到拉应力和拉应变的影响,容易产生热疲劳,热冲压模具钢在使用过程中也承受较大的冲击载荷,模具需要较高的冲击韧性。要较高的冲击韧性。模具还需要较高的耐磨性,以防止在使用过程中拉毛。因此,复杂的工况要求热冲压模具材料具有较高的导热性、热稳定性、冲击韧性、耐磨性和耐冷热疲劳性。
热冲压模具钢应承受冷热交变、冲击、振动、摩擦等负荷。根据实际生产反映,热冲压模具钢故障形式的具体情况大致可分为热磨损、变形开裂和热机械疲劳损伤。其故障主要可分为内部和外部两个原因。外部原因是指热冲压模具钢的安装调整、维护和使用环境影响,但通过良好的使用和维护习惯,可以保证模具的正常使用。内部因素可以从模具材料、模具设计和制造工艺三个方面进行分析。
热冲压模具钢主流产品及发展动态
1.主流产品
各国热冲压生产线上的模具,材料最多是H13钢。H13硬度和热强度高,韧性好,热疲劳性能好,耐腐蚀,中温耐磨性好,热处理变形小,淬透性好。
DIEVAR模具钢是对的H13钢进行优化后得到的钢种。由于低Si高Mo合金化设计,DIEVAR回火过程中会出现更多Mo碳化物的沉淀温度为1200℃使其热稳定性优于左右H13钢。
QRO80M它是瑞典在20世纪80年代初开发的一种热冲压模具钢。通过优化合金元素的比例,钢具有较高的高温性能和冷热疲劳性能。
UHB QRO 90 Superme钢是QRO80M改进型钢号的热硬性明显优于H13钢略高于3Cr2W8V,韧性好,抗热疲劳。
除了传统H13钢和在H热冲压模具钢的研究方向主要有两个特点,以西班牙为主ROVALMA公司的HTCS以德国为代表的高热导率热冲压模具钢和KIND&CO公司开发的Cr7V以高耐磨性热冲压模具钢为代表。
HTCS-130的主要特点是超高导热率,最高导热率可达60W/(m?K),如图所示。在室温下,热导率几乎为1.2343钢的两倍。极高的热导率使模具冷却速度极快,模具与部件接触温度较低,有利于粘附现象较少。
Cr7V的C其含量高于其它热冲压模具钢,因此淬火后可获得高硬度的马氏体组织。Cr7V它可以通过热处理获得高硬度和良好的耐磨性,但韧性较差,因此在实际生产过程中,经常会发生坍塌和断裂。
2.国内热冲压模具钢发展动态
2009年左右,上海大学模具钢研究小组开发了高性能热模具钢专利产品,相关产品已推向市场,得到了行业的认可。2011年,研究小组开发了SDCM热冲压模具钢,SDCM钢是一种新型铬钼钒高性能合金热冲压模具钢。它是一种具有高韧性、高热稳定性、高热疲劳性和高热导率的通用热冲压模具钢。适用于高强度钢板/管道的热冲压模具。其性能指标已赶上国外优质热冲压模具材料,并已在中国获得一些知名企业的认可。2012年,上海大学工模钢团队开发SDK热导率热冲压模具钢主要通过Ni-Al-Cu时效沉淀强化。2014年,上海大学工模钢团队开发了一种新型的高热导率热冲压模钢HDLM,这种钢的热导率极好,400℃还在41 W/(m?K),而且因为进步C并添加一定的内容V元素,使得HDLM与进口材料相比,它具有更高的耐磨性和热稳定性。随后,该团队再次开发HDCM模具钢,该钢种具有良好的抗回火软化性能。
结论与建议
由于国外热冲压技术封锁了中国的技术,因此,我国热冲压模具钢远远落后于压铸模具钢和热锻模具钢。开发高耐磨性、高导热性、热稳定性好的热冲压模具钢已成为当务之急。未来热冲压模具钢的研究思路和发展可从以下两个方面考虑:
(1)热冲压模具钢导热性高。主要通过减少Si、Cr、Mn提高热导率等主要合金元素,但降低这些合金元素会导致模具钢材料的耐磨性大大降低,导致模具过早失效。目前,提高热导率的模具钢主要是通过添加W元素、提高V含量等合金手段提高了模具钢材料的耐磨性,但模具的使用仍然不好。
(2)高耐磨热冲压模具钢。基于国内外热锻模具钢的研究现状,通过提高模具的耐磨性,提高模具的耐磨性Cr元素和V元素的手段Cr合金设计也带来了韧性差、模具易开裂、失效等诸多问题;导热性低,生产效率低。
参考资料:白植雄,王春涛,贾永闯、左鹏鹏、吴晓春.热冲压模具钢的发展现状和趋势[J].模具制造,2017,17(09):93-97.