新型压铸镁合金热作模具钢的组织与性能

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    热作模具钢的发展与工业生产的实际需要是密不可分的，随着新的生产工艺的出现，对热作模具钢提出新的要求。近年来，压铸镁合金以其高比强度、高比钢度以及良好的抗电磁辐射能力等特性引起人们广泛的重视，现已成为一种更有潜力的替代压铸铝合金和其它压铸材料的工程材料，被誉为“21世纪的绿色材料”，在汽车、电子、家电、通信、仪表以及航天航空等领域的应用日益增多。压铸镁合金生产设备上的一些重要零件，如锤头、压室等热作件在工作时直接接触700℃左右的高温液体镁合金，工作条件非常恶劣，使用寿命低，热作件材料的选择成为影响压铸镁合金业发展的主要因素之一。目前，压铸模具钢常用H13钢，该钢为马氏体型热作模具钢，以Cr、Mo、V等元素为主要合金化元素，在600℃以下具有较好的高温强度，但当使用温度高于650℃，其高温性能严重下降，不能满足镁合金热作件的性能要求。奥氏体型高温强度可以满足要求，但耐蚀性不好，因为这类钢中都含有较高的Ni元素。在镁合金加工过程中，Ni元素是一种非常有害的元素，它在液态镁合金中溶解度很高，可达20%（质量分数，下同）左右，会污染镁合金液，严重影响镁合金压铸件的耐腐蚀性能，因而这些钢也不能使用。德国研制出一种号为1.2888的无Ni热作模具钢，是目前各国选用的压铸镁合金热作件材料。国内压铸镁合金用热作件材料尚属空白，全部依靠进口，国外厂商对相关技术进行严密封锁（如报废件要全部返回原厂等），几乎没有相关资料报道。我国镁合金热室压铸技术刚刚起步，还不成熟，但已被列为“十五”规划重大项发展重点。为此，我们开发了两种新型的高Co稀土系高温耐蚀模具钢――HDM1和HDM2钢，并在镁合金热室压铸机上试用，初见成效。本工作研究了这两种钢的显微组织及室温、高温力学性能。

2  试样制备及试验方法

    试验合金原材料为V-Fe、W-Fe、Mo-Fe、Co板、微C-Cr、Mn、纯铁等，用真空感应炉冶炼，然后进行电渣重熔。在1140℃锻造成90mm×90mm试样，其成分见表1。

表1  试样的化学成分（质量分数，%）

材料号	C	Cr	Co	Mo	W	Mn	V	RE	Fe
HDM1	0.20	10.09	9.90	4.03	2.38	0.39	0.50	-	余
HDM2	0.23	9.94	9.60	3.74	2.53	0.23	0.57	0.02	余

试样的热处理工艺为1100℃×1h固溶处理，油冷，再经700℃×2h时效处理。金相试样用FeCL3腐蚀侵蚀，在Neophot-21型光学显微镜观察显微组织。用电解法从试样中萃取析出相，然后用X射线衍射（XRD）分析确定析出相的类型。

    有关参数如下：电解液：5%HCL+2%柠檬酸+5%甘油甲醇溶液；电流密度=0.08A/cm2（总电流控制在0.5-0.9A）；电解温度：T=-5~-8℃；电解时间：t=1.5h；电解提取的析出相用一层孔径为0.2μm的薄膜加上一层℃定量密滤纸，采用抽滤法收集；先用稀的电解液洗涤三次再用95%乙醇洗涤干净。收集的析出相可作定量分析及XRD分析（用日本理学3014X光衍射光谱仪），量程为200CPS，Co靶。

    用洛氏硬度计测量室温硬度；用金属真空高温维氏硬度计测定700℃高温硬度，试验过程中真空度不低于3.5×10-3Pa，载荷保持时间为60s；室温拉伸、冲击试验分别按照GB/T228-1987和GB/T229-1994进行。高温瞬时拉伸和高温持久试验分别按照GB/T4338-1995和GB/T2039-1997进行。

3    试验结果与分析

3.1  显微组织分析

3.1.1  钢的显微组织

    两种钢试样经1100℃固溶和700℃×2h时效处理后显微组织见图1（略）。其组织为回火马氏体，并有大量的析出相弥散分布，这些析出相颗粒具有较好的稳定性，对材料的高温强度有益。

3.1.2  析出相XRD及TEM分析结果

    对电解提取的粉末进行XRD相分析，结果见图2（略）。两种钢析出相类型相同，同时析出金属间化合物和合金碳化物，金属间化合物有Laves相（即AB2相），碳化物主要为M6C、M23C6和少量的VC。还可能含有μ相，由于其衍射峰与图中M23C6衍射峰完全重合后，所以不能确定，需要进一步分析。

    图3（略）为合金热处理后析出相的形貌及M23C6、M6C和μ相的衍射谱，其晶带轴分别为[318]、[101][20 21]。图4（略）给出Laves相的形貌及衍射谱，其晶带轴为[1321]。四种析出相都呈球状或接近球状的颗粒弥散分布在基体上，颗粒细小，如M6C直径大约250nm左右。

3.2  室温、高温力学性能

3.2.1  室温力学性能

    表2    室温力学性能测试结果

合金号	硬度/HRC	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5，%	ψ，%	αk/J?m-2
HDM1	41.7	1270	932	12	40	24
HDM2	37	1460	1070	10.5	32	11