大型压铸模具必须具有较高的冲击韧性,因为模具镶件越大,应力分布通常就会越复杂。
全球压铸业目前正面临着重大的技术挑战。一是对压铸部件表面质量的要求越来越严苛,二是对结构部件的综合性能要求越来越高。这两种趋势均意味着,在这一领域,广泛使用的1.2343或1.2344型热作模具钢正日益达到其技术极限。针对这些市场趋势,Kind&Co开发出了具有特殊性能的优质热作模具钢。CS1钢适用于铸造表面质量要求极高的压铸件的模具。TQ1钢适用于大型结构件模具。
TQ1钢基于最高纯度原则,采用电渣重熔工艺(ESU)生产而成。这使得铬钼钒合金热作模具钢具有极高的均匀性和纯度。TQ1钢的抗回火性能(即钢材的抗意外软化性能)与人们熟知的1.2344钢(图1)不相上下。
压铸模具用热作模具工具钢的另一个重要特性在于其热稳定性。在试验温度不断升高的拉伸试验中测定的屈服强度Rp0.2可被作为衡量标准。在图2所示的对比中,所有样品都经过淬火和回火至45HRC,然后在不断升高的温度条件下进行测试。在图表对比中,压铸模具表面暴露的温度范围(至少短暂暴露)在每次压射时均以灰色标出。很明显,与1.2343和1.2344相比,优质钢TQ1在测试温度超过300℃时的热稳定性越来越高。这使其具有更强的抗裂纹能力,在较高温度条件下尤其如此。
大型压铸模具尤其需要具有高冲击韧性的热作模具钢,因为模具镶件越大,应力条件往往就会越复杂。此外,大型结构件还具有弯曲或高差变化等典型特征。图3比较了ISOV型缺口冲击弯曲试验中TQ1的典型冲击能量值与硬度为45HRC时1.2343和1.2344的通常测量值。这些数值是根据北美压铸协会的规范(NADCA#207-2022),在锻造棒芯部位的横向样本上测定的。与1.2343和1.2344钢相比,TQ1的韧性潜力明显更高。
图2和图3示出的是,与标准钢材1.2343和1.2344相比,TQ1具有更高的热稳定性和缺口冲击韧性。在这两种性能的相互作用下,其对于铸造过程中模具表面发生的温度变化表现出了极高的抗性。
在确定模具镶件的硬度时,始终需牢记的一点是,钢材的韧性会随着硬度的降低而增加。但是,与此同时,热稳定性、抗裂纹能力和抗热震能力也会随着硬度的降低而降低。
TQ1在淬火过程中的转变行为不同于标准钢材,但同样具有优势。淬火的目的是使钢材尽可能地从奥氏体状态转变为马氏体状态。这种转变需要有最低冷却速度。但是,如果达不到这一最低冷却速度,至少会在中间阶段发生部分转变(贝氏体)。然而,回火马氏体的微观结构更有利于获得高韧性,这是因为,在回火过程中,回火中间阶段微观结构几乎不会获得任何韧性。回到大型压铸模具的热处理上,这意味着,在边缘区域进行充分淬火后,钢材1.2343和1.2344以及TQ1钢材都会发生马氏体转变,从而形成足够韧性的基础。然而,进一步深入模具型芯的内部则无法实现快速淬火。
汽车中使用的结构件变得越来越大,对于模具制造商、压铸商和合适的热作模具钢制造商而言,面临的挑战更大了。为此类产品专门开发的铸造材料流道长、铸造温度高,因此,导致模具的机械应力和热应力大大增加。借助TQ1,Kind&Co(凯德)公司提供了一种特别的优质热作模具,其具有高热稳定性、高缺口韧性以及抗热震性强等性能特点。凭借其特殊的热处理组织转变行为,可以实现最为苛刻材料条件下的可靠调整,因此,这种优质热作模具尤其适用于大型模具。TQ1已被列入NADCA规范#207-2022,并且已经在全球许多国家的大型结构件中得到了验证。
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