汽車高強板用Cr8類沖壓模具鋼性能研究*

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.機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044）

前言

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

由于大量優(yōu)質(zhì)模具鋼被用于高強度鋼零件制造，導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，尤其是表面處理費用昂貴，模具鋼成本在模具成本中所占比例高達63%。國內(nèi)高端模具鋼市場長期以來被進口模具鋼占領(lǐng)，國內(nèi)企業(yè)每年需從國外進口10萬t高端模具鋼，進口材料價格約為國內(nèi)材料的2～3倍，加大了整車企業(yè)的成本負擔，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，模具補焊、熱處理較容易出現(xiàn)開裂。為克服該問題，國內(nèi)外多家鋼廠開發(fā)了改進型高鉻冷作模具鋼，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行了優(yōu)化。寶鋼特鋼根據(jù)國家“十三五”重點研發(fā)計劃的部署，新開發(fā)了HNC53冷作模具鋼，其目標是通過成分優(yōu)化設(shè)計、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，實現(xiàn)穩(wěn)定化生產(chǎn)和應用，以替代進口材料所占據(jù)的高端模具鋼市場。

本文中從模具實際使用工況出發(fā)，基于汽車高強鋼模具對于模具材料的主要要求，選取兩種典型的Cr8類材料——國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的牌號為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材料進行對比，分析化學成分、顯微組織、沖擊韌性、屈服強度、TD皮膜附著性、熱處理和表面處理后尺寸穩(wěn)定性等，以評價和分析其所處的技術(shù)水平。

1 材料成分設(shè)計與工藝開發(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，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又可獲得更高強韌性。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的試樣進行直讀光譜化學成分測試，表1為3種材料的化學成分。

表1 原材料的質(zhì)量分數(shù) %

總體看來，3種材料的化學成分相差不大。尤其Cr和C元素，各模具廠對于硬度的控制有很高的共識，微量元素方面，國內(nèi)牌號Mo含量約為國外品牌的2倍，由于Mo可強烈促進形成碳化物，對提高模具鋼的強度和硬度有利，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)計預期一致。對于S、P元素的控制，HNC53含量最低，尤其是S含量僅為0.004%，由此可見電渣重熔工藝對雜質(zhì)元素的去除效果顯著。KD11MAX中Mn元素比國內(nèi)牌號高了約一半，錳能增加碳化物的穩(wěn)定性，提高強度、硬度，但其是嚴重的偏析元素，會降低韌性和塑性，因此對其含量的控制國內(nèi)鋼廠比較謹慎。尤其應當注意的是，國外材料中測出約0.1%的S元素，該元素在國內(nèi)鋼廠往往作為有害雜質(zhì)元素嚴格控制，大多要求控制在0.01%以下。而國外鋼廠則進行了添加和控制，有利于改善模具鋼的切削性能。

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

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，為改善碳化物分布，重新制定優(yōu)化了多向鍛造工藝，采用大鍛造比對共晶碳化物進行充分破碎，以得到均勻細小的顆粒組織。

2 顯微組織分析

2.1 低倍組織分析

在HNC53原材料X、Y、Z 3個方向分別取樣進行金相分析，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，應為該共晶碳化物在晶界形成后，經(jīng)多次鍛打后導致。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比。HNC53與KD11MAX共晶碳化物分布較為彌散，國產(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，最大的碳化物長度約25μm，寬度約12μm。國產(chǎn)DC53碳化物長度約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步，接近進口材料水平。

圖2 3種材料金相組織對比

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，而國產(chǎn)DC53在視場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，對碳化物顆粒進行尺寸統(tǒng)計分析，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，長度約為 0.5～1.5μm。整體看來國產(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 CPS（count per second）為每秒計數(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，達到8.68%，是3種材料中最高的，國產(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)量分數(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 機械性能分析

3.1.1 應力應變曲線

由于模具服役過程中受力狀態(tài)非常復雜，對模具鋼材料的各向同性要求較高。故對3種材料兩向力學性能進行測試，結(jié)果如圖6所示。HNC53材料在X、Y兩向的應力應變曲線幾乎重合，其一致性甚至優(yōu)于進口材料。而國產(chǎn)DC53應力應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方法》取樣，進行V口沖擊試驗，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)達到進口材料水平；而某國產(chǎn)牌號材料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種材料的應力應變曲線

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)定后再進行熱處理和表面處理，如果模具鑲塊尺寸波動，拼接后會出現(xiàn)縫隙、臺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。因此要求在整個開發(fā)使用過程中模具變形不大于3‰。

圖7 高強鋼模具鑲塊結(jié)構(gòu)

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

圖8 變形量測量試樣

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，應該與殘余應力的釋放有關(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向尺寸變化相對復雜，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天達到極大值，隨后凹陷逐漸恢復，在變形60天后達到較為穩(wěn)定狀態(tài)，Z向尺寸最大變化率為1.58‰。由此可見，對于異形鑲塊的熱處理，不宜馬上進行安裝和調(diào)試，應當待其尺寸恢復后進行裝調(diào)更為有利。

3.3 覆層質(zhì)量分析

HNC53進行熱處理后，表面硬度達到HRC62。對TD處理后的材料進行顯微組織分析，結(jié)果如圖10所示，觀測到TD處理皮膜厚度10μm，基體組織均勻，無明顯大塊碳化物。對比的某其他材料，在TD處理后，基體組織存在大塊碳化物，其對于皮膜具有明顯的犁耙效應，尖銳的碳化物邊界容易侵入皮膜中，高強板成形過程中由于對模具產(chǎn)生較高的面壓力，模具鋼母材會發(fā)生塑性變形，TD皮膜被剝離，導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 試樣變形量測量

圖10 變形量測量試樣

4 試驗驗證

圖11為不同模具鋼制造的模具進行汽車大梁零件生產(chǎn)得到的零件圖片。由于大梁前側(cè)截面變化復雜，成形過程中材料流動劇烈，高強鋼板材與模具鋼材料互相摩擦，往往導致零件和模具表面出現(xiàn)拉毛等問題。由圖可見，國產(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

在完成試驗驗證的基礎(chǔ)上，該HNC53材料已經(jīng)用于多個車型的前大梁、后大梁等關(guān)鍵高強鋼零件沖壓模具的開發(fā)和使用。本課題開發(fā)的HNC53價格僅為進口材料的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的材料成分與進口材料相當，尤其是對P、S等有害雜質(zhì)的控制精度分別達到0.03%和0.005%的高標準。

（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，與進口材料相當，為對標的國產(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強度和韌度與進口材料相當，X、Y兩向力學性能幾乎一致，較以往的國產(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‰的標準。