压铸模用钢及热处理

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  1.压铸模工作条件及性能要求
    压铸模用钢用于制造压力铸造和挤压铸造模具。根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模。压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热的温度比热锻模要高(压铸非铁金属时400一80090，压铸钢铁材料时可达1000℃以上)，同时承受很高的压力(20一120MPa);此外还受到反复加热和冷却以及金属液流的高速冲刷而产生磨损和腐蚀。因此，热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀是压铸模常见的失效形式。所以，压铸模的性能要求是:较高的耐热性和良好的高温力学性能、优良的耐热疲劳性、高的导热性、良好的抗氧化性和耐蚀性、高的淬透性等。
    2.压铸模用钢及其热处理上艺
    常用的压铸模用钢以钨系、铬系、铬钥系和铬钨钥系热作模具钢为主，也有一些其他的合金工具钢或合金结构钢，用于工作温度较低的压铸模，如40Cr,30CrMnSi, 4CrSi,4CrW2Si,  5CrW2Si、5CrNiMo,  5CrMnMo,  4Cr5MoSiV,  4Cr5MoSiV1、4Cr5 W2VSi、3Cr2W8V, 3Cr3Mo3W2V及近年研制的新型热作模具钢Y10, Y4等。其中3Cr2W8V钢是制造压铸模的典型钢种，常用于制造浇铸铝合金和铜合金的压铸模;与其性能和用途相类似的
还有3Cr3Mo3W2V钢。值得指出的是，由于4Cr5 MoSiV 1钢具有良好的韧性、耐热疲劳性和抗氧化性，其模具使用寿命高于3Cr2W8V钢制压铸模，且这类钢的价格较钨系钢便宜，因此在压铸模上的使用愈来愈多。
    (1) 3Cr2W8V钢该钢是我国长期以来应用最广泛的典型的压铸模用钢，也可用于其他热作模具钢。
    1)成分及性能特点。该钢碳含量虽然不高，但铬、钨含量较高，致使共析点(S点)左移。从金相组织上看，属于过共析钢组织。由于含碳量较低，所以该钢的韧性和导热性较好。钨是这种钢的主加合金元素，在钢中生成的钨碳化物很稳定，须在较高温度加热时才能溶人奥氏体中;在淬火后回火时也不易从马氏体中析出和聚集，故钨能显著地提高钢的回火稳定性。从而使钢具有较高的热硬性和热强性。例如在650℃下，3Cr2W8V钢的抗拉强度可达1200MPa，硬度可达300HBW。此外，未溶钨碳化物可阻止淬火加热时的晶粒长大，有利于改善钢的韧性。铬的主要作用是提高钢的淬透性和抗氧化性。钒的主要作用是细化晶粒，并增加回火过程的二次硬化效果。
    2)锻造工艺。因3Cr2W8V钢属于过共析钢，在机械加工之前要进行锻造，反复徽粗与拔长以消除碳化物偏析，减少粗大碳化物。锻造工艺为:始锻温度为1080一112090，终锻温度为900一850cC，锻后先在空气中较快地冷却到70090，随后缓冷。
    3)预备热处理。3Cr2W8V钢锻造后一般采用不完全退火，退火工艺为:830一850℃加热并保温3一4h后，以小于4090 /h的速度炉冷至400℃出炉空冷。也可采用等温退火，等温温度710 -7409C，等温时间3 -4h，然后炉冷至500℃以下出炉空冷。退火后组织为珠光体与碳化物，硬度为207一255HBWo
    4)淬火与回火。
    从表中数据可以看出，随着淬火温度的升高，钢的硬度增加，例如105o9C淬火600℃回火后硬度为43 HRC;而125090淬火600℃回火后，硬度为52HRC，提高近10个单位。
    同一淬火温度，则在550℃回火时硬度值最大，呈现一峰值，而且有二次硬化现象，多一次回火，硬度值会有所提高。
    表3-16为3Cr2W8V钢的淬火温度、回火温度与抗拉强度。、、冲击韧度a‘的关系。
    从表中数据可以看出，提高淬火温度，抗拉强度随之增加，但冲击韧度随之降低，同一淬火温度，在650℃回火时aK值最低，说明这是回火脆性区。
    综合上述分析，3Cr2W8V钢常规淬火加热温度应采用1050一115090。如果模具要求有较好的塑性和韧性，承受较大的冲击负荷时，应采用下限加热温度，对于压铸那些熔点较高的合金(如铜合金、镁合金)的压铸模，为了满足在较高温度下所需的热硬性和热稳定性，可在上限温度范围加热淬火。
    3Cr2W8V钢的淬透性很好，厚度在100mm以内的注塑加工件均可在油中淬透。为了减小模具变形，可采用分级淬火和等温淬火。
    回火温度应根据性能要求和淬火温度来选择，回火次数为2一3次。由于该钢有明显的回火脆性，回火后应采用油冷，然后可再经160一200℃补充回火。
    (2) 3Cr3Mo3W2V (HMI)钢该钢是参照国外有关钢种结合我国资源条件研制的新型热作模具钢。
    此钢在化学成分上通过以钥代钨，使钢的含钨量与3Cr2W8V钢相比大大降低，同时铬和钒的含量比3Cr2W8V钢有适当的提高。它的特点是具有优良的强韧性，在保持高强度和高的热稳定性的同时，还表现出良好的耐热疲劳性。试验结果和使用实践表明，这种钢的回火稳定性、抗磨损性能均优于3Cr2W8V钢，热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多。
    3Cr3Mo3 W2V钢的锻造工艺为:加热温度1150一118090，始锻温度1120一115090，终锻温度)8509C，锻后缓冷。锻造后应及时退火，退火工艺为860一880℃加热保温2一4h,炉冷降温至720一740℃等温4一6h,炉冷至550℃以下出炉空冷。退火后硬度镬252HBW o最终热处理工艺为:淬火温度106()一113090，油淬或分级淬火，淬火后硬度为50一56HRC,回火至601)一630℃时硬度为50一55HRC, 630一650℃回火后硬度为45-50HRC,
    (3) 4Cr5Mo2MnSiV1 (Y10)及4Cr3Mo2MnVNbB (Y4)钢Y10钢及Y4钢是分别作为铝合金及铜合金压铸而研制的新型热作模具钢，Y10钢的化学成分接近H13钢，Y4钢的化学成分接近HD钢，都属于高强韧性热作模具钢。与3Cr2W8V钢相比，冷热疲劳抗力、抗溶蚀能力、冲击韧度、断裂韧性均比较高，只是耐热性稍差。但Y10钢可在610℃以下长期工作，Y4钢的工作温度可更高些。
    两种钢的锻造及退火工艺与3Cr2W8V钢相近，但锻造性能良好，锻造温度范围宽，无特殊要求。退火硬度低于3Cr2W8V钢。
    淬火温度为1020一1120CC，回火温度为600 -- 6309C，具体淬火和回火温度可根据用途及要求进行选择。
    Y10钢及Y4钢用于压铸模，使用寿命普遍提高1一10倍，而用于热挤压模和热锻模的效果也良好。
    3.压铸模材料选用
    目前常用的压铸金属材料主要有:锌合金、铝或镁合金、铜合金和钢铁等四大类，它们的熔点、压铸温度、模具工作温度和硬度要求都各有不同。由于压铸金属的压铸温度愈高，压铸模的磨损和损坏就愈快，因此，在选择压铸模材料时，首先就要根据压铸金属的种类及其压铸温度的高低来决定;其次还要考虑生产批量大小和压铸件的形状、重量以及精度要求等。
    一般，常用于锌合金压铸模具的材料有合金结构钢，如 4OCr, 30CrMnSi, 40CrM。钢等;模具钢，如5CrNiMo, 4Cr5MoSiV, 4Cr5MoSiV1, 3Cr2W8V, CrWMn钢等。合金结构钢制压铸模寿命为20一30万次，模具钢可达到100万次。
    铝合金压铸模具钢有4Cr5MoSiVI (H13) , 4Cr5MoSiV (H11) , 3Cr2W8V及新钢种4Cr5Mo2MnSiVI(Y10), 3Cr3Mo3VNb (HM3)钢等。其中H13, H11, Y10, HM3钢使用效果良好，模具寿命均高于3Cr2W8V钢。
    铜合金压铸模具钢有3Cr2W8V, 3Cr3Mo3W2V (HMI)及新钢种4Cr3 Mo2 MnVNbB(Y4)钢，其中 3Cr2W8V钢用量最大，但使用效果不如HMI和Y4钢。
    钢铁压铸模具加工材料最常用的仍为3Cr2W8V钢，但因该钢热疲劳抗力差，使用寿命低。目前国内外趋向使用高熔点钥基合金及钨基合金制造钢铁压铸模，其中TZM及Anviloyl 150两种合金普遍受到重视。
    铜合金制造钢铁压铸模，也收到良好效果。使用的铜合金主要有被青铜合金、铬错钒铜合金和铬错镁铜合金等。
   4.压铸模的热处理特点
   根据压铸模形状、精度要求，压铸模的制造工艺路线如下。
    1)一般压铸模:锻造*退火、机械粗加工*稳定化处理*精加工成形一淬火及回火钳工修配。
    2)形状复杂、精度要求高的压铸模:锻造、退火*粗加工、调质、电加工或精加工成形、钳工修磨一渗氮(或软氮化)叶研磨抛光。
    工序中的热处理为退火、稳定化处理、调质和淬、回火，其工艺目的和特点如下:
    1)压铸模型腔复杂，在粗加工和半精加工时会产生较大的内应力。为了减小淬火变形，在粗加工之后应进行去应力退火(也称稳定化处理)。去应力退火工艺为650一68090，保温3 -5h。保温结束后，型腔简单的模具可直接出炉，在静止空气中均匀、缓慢地冷却。而形状复杂的压铸模需炉冷至400℃出炉空冷。经电火花加工的模具型腔，表面会产生变质
层，变质层具有脆性，形成拉应力，易引起裂纹。消除变质层的办法是采用研磨或抛光，同时进行去应力退火。
    2)压铸模的预处理一般采用球化退火或调质处理，其目的是在最终热处理前获得均匀的组织和弥散分布的碳化物以改善钢的强韧性。由于调质处理的效果优于球化退火，所以，强韧性要求高的压铸模，常常以调质代替球化退火。
    3)压铸模用钢多为高合金钢，因其导热性差，热处理加热必须缓慢进行。对于防变形要求不高的模具，在不产生开裂的情况下，预热次数可以少些。但防变形要求高的模具，必须多次预热。较低温度(400一65090)的预热，一般在空气炉中进行;较高温度的预热，应采用盐浴炉，预热时间仍按1 min/mm计。
    4)淬火加热。对于典型压铸模用钢来说，高的淬火加热温度有利于提高热稳定性和抗软化的能力，减轻热疲劳倾向，www.vtoall.com但会引起晶粒长大和晶界形成碳化物，使韧性和塑性下降，导致严重开裂。因此，压铸模要求有较高韧性时，往往采用低温淬火，而要求具有较高的高温强度时，则采用较高温度淬火。
    为了获得良好的高温性能，保证碳化物能充分地溶解，得到成分均匀的奥氏体，压铸模的淬火保温时间都比较长，一般在盐浴炉中加热保温系数取0.8一1. 0min/mm.
    5)淬火冷却。对于形状简单、防变形要求不高的压铸模采用油冷;而形状复杂、防变形要求高的压铸模采用分级淬火。为了防止变形和开裂，无论采用什么冷却方式，都不允许冷到室温，一般应冷到150一180℃均热一定时间后立即回火，均热时间可按0.6min/mm计算。
    6)回火。压铸模必须充分回火，一般回火3次。第一次回火温度选在二次硬化的温度范围，第二次回火温度的选择要使模具达到所要求的硬度，第三次回火温度要低于第二次10一2090。回火后均采用油冷或空冷，回火时间不少于2h0
    7)表面强化处理。为了防止熔融金属粘模、侵蚀，提高压铸模成形部分的抗蚀性和耐磨性，压铸模常采用表面强化处理，常用工艺方法有渗氮、氮碳共渗、渗铬、渗铝、渗硼等。