周黎明1,2    朱昊云1,2    王明杰1,2    李俊颖1,2

（1.河南水利与环境职业学院机电工程系    2.河南省水电装备与智慧系统工程技术研究中心）

摘要：高强度钢板经热冲压加工可制成高强度、高硬度和高耐磨型性结构件，这些产品加工时要求成形模具的材料具备较强的耐热性能以及能承受较大机械载荷的性能，以期提高模具寿命和加工效率。因此，这种模具材料要求能有效抵御各种模具失效机制，比如开裂、磨损过快和塑性变形等，尤其是在温度较高情况下，硬度减小导致的塑性变形直接影响模具材料的耐磨性。因此，本文研究了回火抗力对三种常用的耐热模具钢耐磨性能的影响以及这三种材料作为热冲压模具材料的可行性。

关键词：回火抗力；耐热模具钢；耐磨性

1 前言

汽车制造需要高强度的轻量化部件获得低油耗，以应对节能减排压力，因此利用热冲压技术制造的高强度零件成为研究热点，这些零件为了实现大批量生产，要求模具材料具备较高的工艺性能，以实现降本增效的目的。这些部件要求具备高屈服强度和高伸长率，以抵抗碰撞条件下的高机械载荷，这些性能取决于长时间暴露于高温下承受施加载荷和由此产生的磨损的能力。因而，模具材料的选择非常关键。

图1 热冲压加工工艺

2 热冲压工艺

热冲压工艺分为间接和直接两种工艺类型。间接热冲压所需的变形力低，回弹小，依靠板材的塑性即可成形。间接工艺需先进行冷冲预成形，将冷成形件修整、切边冲孔，并加热到奥氏体化温度并在模具中淬火以获得强度。直接热冲压是坯料在热条件下成形，随后在模具中淬火。由于长时间的热接触导致模具磨损较大，甚至会造成模具表面氧化层脱落。该工艺在刀具成形时同样面临模具失效的挑战^[1]。

为减少钢板加热后成形过程中产生的氧化层和脱碳，防止腐蚀，一般需在钢板表面涂覆铝硅基或锌基涂层，不过并不是所有钢板都需要涂覆，比如利用间接工艺的板材就不能涂覆。加热软状化态下的材料由铁素体-珠光体组成，在加热过程中，碳溶解到基体中，并发生奥氏体化。奥氏体通常在较低温度下不稳定，因此根据所施加的冷却速度和合金成分转变为其他相。对于高强度钢，为了获得能保持硬度的微观组织，需要提高冷却速度，同时提高了材料的屈服强度和抗拉强度。然而，为了抗冲击，材料同样需要更大的伸长率，可通过局部冷却来实现，降低冷却速度以减少高硬度马氏体的数量，因此形成了一定量的贝氏体，从而形成了硬度低的部分。模具采用局部快速冷却可获得高硬度、高强度区域，局部降低冷却速度可获得高韧性区域，得到高强度、高韧性的材料，如图1所示，从而使成形材料具有指定的性能^[2]。其中像高性能铬钼钒合金工具钢5Cr5MoSiV、高韧性冷作工具钢7Cr7Mo2V2Si以及热作模具钢H13钢就是常用的高强韧性热冲压成形钢。

图2 磨粒磨损、开裂和塑性变形的失效机理示意图

3 失效机理

为了获得高寿命模具，模具材料必须具有能够承受潜在失效机制的性能，这些性能包括耐磨性、韧性和热强性，同时要求模具材料可焊接，以便后期对损坏的模具进行修复^[3] 。模具磨损失效机理示意图如图2所示。

图3 未涂覆钢板表面的氧化物造成的磨料磨损

工具钢的表面状态对模具寿命影响较大，未涂覆的工具钢板材表面在高温下易形成氧化层，这种坚硬的氧化层使摩擦系数增大，加速工具表面的磨损，如图3所示。Al-Si镀层涂覆后则不会形成这样的磨损，但是Al-Si镀层易粘在模具上，形成附着磨损如图4所示。

图4 热成形后Al-Si镀层造成的附着磨损

工具钢的硬度影响模具材料的性能，在模具工作过程中因摩擦产生的高温作用下，金属材料发生回火导致硬度下降，模具材料表面易产生塑性变形，材料的耐磨性也会进一步降低。因此材料保持其硬度的能力取决于模具和板材之间摩擦接触的时间和温度。为了使模具工作时产生热量快速传递出去，选择导热率高的材料是保持模具材料性能的关键。更快的传热速度需要材料表面有合适的冷却通道，但是冷却速度过快增加了材料表面出现裂纹的倾向。这又需要材料具备高韧性。

4 实验

通过以上分析得知，提高耐磨性和回火抗力可提高模具寿命，这两组特性结合后如何影响模具寿命是亟需探讨的问题。为了研究这一点，本文选取5Cr5MoSiV、7Cr7Mo2V2Si与热作模具钢H13钢相同回火处理条件下的抗磨等级进行了比较。

4.1 试验材料

试验材料化学成分见表1，通过奥氏体化和不同的回火处理达到的硬度见表2。

4.2 试验方法

结合回火抗力，对三种材料在相同热处理条件下进行磨损试验。下面研究以上所选钢种的回火抗力对材料硬度的影响，从表2看到，回火抗力的研究将在5Cr5MoSiV硬度值为58HRC、H13硬度值49HRC和7Cr7Mo2V2Si硬度值为63HRC的情况下进行，本文选取以上三种材料中硬度等级最低的49HRC作为起始硬度进行测试，从五个不同的组中各取一个样品放入温度为600℃的炉中，10 h后，将样品从炉中取出测量硬度，与起始硬度进行比对分析。

图5 600℃10h处理后硬度(橙色)与原始硬度(蓝色)对比结果

4.3 结果

图5所示结果表明，在 600℃下，加热10小时后，H13硬度损失最小，即仅为2HRC。其中H13和7Cr7Mo2V2Si在 600℃下，加热10 h后的硬度值最高，达到了49 HRC。

磨损试验结果如图6所示，从起始硬度看，7Cr7Mo2V2Si的磨料耐磨性最好。但在600℃中放置10 h后，H13的回火抗力最好，其磨料耐磨性最佳。其次是 7Cr7Mo2V2Si。这一结果清楚地表明，良好的回火抗力延缓了磨料耐磨性的损失。该磨损试验的结果提供了最高耐磨性等级的信息，一定程度上可为工具钢的选择提供建议，但它不能模拟实际应用中普遍存在的磨损条件，实际的磨损机制可能比试验设置中描述的更为复杂。

图6 600℃10h处理后(橙色)与原始硬度下(蓝色)耐磨性对比

 在许多热冲压加工情况下，需要韧性和磨料耐磨性的结合，5Cr5MoSiV就同时具备了这两种性能。H13具有所有等级中最高的回火抗力和最高的导热性。这使得这种钢非常适合用于热冲压模具，特别是经常处于高温区的模具。

5 结论

 为了使材料在温度较高情况下保持其机械性能，高强度板材材料热冲压的模具对材料的要求较高。根据模具材料抗软化的能力，需要延迟几种失效机制，例如强度和耐磨性的损失。传统的热冲压模具材料的选择是基于模具材料与被加热的板材接触之前的机械性能。据目前研究实验表明，为了避免模具材料耐磨性等机械性能随着时间的推移丧失，回火抗力的重要性更加凸显。回火抗力越强的材料，更适合做高强度钢板热冲压模具材料，比如本文研究的材料H13和7Cr7Mo2V2Si。

在实际应用中，这些回火抗力较强的模具钢展现出了不同的性能特点。例如，山东鲁锻高合特钢有限公司和上海凌进模具钢有限公司采用H13钢制造汽车高强度钢板热冲压模具，经过长时间的生产实践，发现该模具钢的耐磨性能优异，能够承受高强度钢板的反复冲压，模具寿命显著提高。据该企业统计，采用该模具钢制造的模具，相比传统模具，使用寿命提高了30%以上，同时加工效率也得到了大幅提升。另一种耐热模具钢7Cr7Mo2V2Si广泛应用在在汽轮机和航空发动机等零件的模具材料制造中，该模具钢经过回火处理后，具有出色的耐热性能和抗磨损能力，能够满足叶片热冲压加工的要求。采用该模具钢制造的模具，叶片加工精度和表面质量均得到了显著提升，有效提高了汽轮机或航空发动机的性能和可靠性。

参考文献

[1] O. S. C. M.-B. H. Engels，“Controlling and monitoring of the hot-stamping process of boron-alloyed heat-treated steels” Stuttgart, Germany, 2006. 

[2] E. Billur, Hot Stamping of Ultra High-Strength Steels, Ankara Turkey: Springer, 2019. 

[3] I. S. R. Rahn, “Modern tool steels –a prerequisite for successful hot-stamping of steel，” in Proceedings of New Developments in Sheet Metal Forming Conference, Stuttgart, Germany, 2016.