压铸模具钢的选用及提高寿命方法

大木木

我国加入WTO后的新形式,模具行业从总体上来看,机遇要大于挑战.这主要是我国模具价格要比许多工业发达国家低,有的甚至只是国外价格的1/3～1/5,因此在国际市场上有一定的竞争优势.
　　从资料可知,在全部模具中,其模具用量的次序是塑料模具、冷冲压模、铸造模具、锻造模具等等。但是，由于选材不对、工艺不正确或操作不当，造成低的高温强度与韧度、差的高温耐磨性、低的耐熔融损伤性等，严重影响了模具使用寿命。所以，除了选择正确工艺及合理操作以外，压铸模材料的选用也是重要问题之一，这对提高模具的产品质量、延长使用寿命具有十分重要的意义。
　　1 工作条件与性能要求
　　压铸模是完成压力铸造生产的基本工具,是在高压150MPa～500MPa下将高温1000℃熔融金属压铸成形，加工对象有铅、锌、铝、镁、铜及其它合金等。由于这些金属及合金的熔点不同，对模具性能要求也不完全相同。
　　1.1 压铸模具的工作条件
　　(1)与其他模具相比，压铸模具的工作条件十分恶劣，因不同被压铸的金属，要承受150MPa～500MPa很高压力的作用。
　　(2)工作时，经常与300℃～1000℃的熔融金属接触，不同压铸合金的浇注温度见表1。且不断地反复加热和冷却，沿截面温度梯度很大。
　　(3)模具工作型腔收到150m/s～70m/s高速注入地熔融金属接触时，会产生严重地磨损。
　　(4)型腔在液态金属冲刷和浸蚀作用下，易使金属粘着在模具型腔表面上(尤其是铝合金更为突出)，甚至渗入模面或与模面金属发生化学变化而腐蚀模面。
　　1.2 压铸模其他性能要求
　　压力铸造可以铸出形状复杂、精度高、表面粗糙度小并且具有良好地力学性能的零件。所以，压铸模具应具有如下的性能要求：
　　(1)较大的高温强度与韧度
　　压铸模具受到熔融金属注入时的高温、高压和热应力作用，容易发生变形，甚至开裂。因此，模具材料在工作温度下应具有足够的高温强度与韧度，以及较高的硬度。Toolox材料具备高强度，高韧性（极高达100J以上韧性），高硬度的优势。Toolox44更是世界上最硬的预硬工具钢（HRC45-48）。瑞典皇家工学院宣称Toolox是高硬度与高韧性完美的结合。
　　(2)优良的高温耐磨性、抗氧化性与抗回火稳定性
　　高温熔融金属高速注入模具和浇铸后脱模时，均产生较大的摩擦作用，为保证模具长期使用，模具在工作温度下应均有较高的耐磨性。大量连续生产的压铸模具，长时间处于一定温度作用下，应持续保持其高硬度，而且应不粘模及不产生氧化皮。因此，模具还应具有良好的抗氧化性与回火稳定性。
　　(3)良好的热疲劳性能
　　压铸模具表面反复受到高温加热与冷却，不断膨胀、收缩，产生交变热应力。此应力超过模具材料的弹性极限时，就发生反复的塑性变形，引起热疲劳。同时，模具表面长时间受到熔融金属的腐蚀与氧化，也会逐渐产生微细裂纹，大多数情况下，热疲劳是决定压铸模具寿命的最重要因素。
　　(4)高的耐熔融损伤性
　　随着压铸机的大型化，压铸压力也在增大，已从低压的20～30MPa，提高到高压150～500MPa。高温高压浇铸可产生明显的熔融损伤，模具应对此具有较大的抵抗力。为此，模具材料必须具有较大的高温强度，较小的对熔融金属亲和力，模具表明粗糙度要小，并附有适当的氧化模、氮化层等保护层，而不存在脱碳层。
　　(5)淬透性好、热处理变形小
　　一般压铸模具的制造方法是将退火状态的模具材料雕刻型腔，然后热处理，得到所需要的硬度，或将模具材料先进行热处理，得到需要的硬度，再雕刻型腔。先雕刻型腔后热处理的制造方法，有高的硬度和强度，不易产生熔损与热疲劳。无论用哪一种方法进行热处理，得到均一的硬度是必要的，所以要求淬透性好，特别是先雕刻型腔后进行热处理，要用热处理变形小的材料，这点对于尺寸大的模具尤为重要。
　　(6)较好的被削性与磨削性
　　压铸模型腔都经切削加工制成，所以模具材料应具有较好的被削性。必须指出，耐磨性好的材料，其被削性一般较差。许多模具钢就是如此，虽在退火状态，其基体部分还是较硬。再加坚硬的碳化物，一般切削困难。
　　为获得较光滑的压铸件，要求模具型腔表面的粗糙度值小，所以对模具材料也应具有较好抛光性能。Toolox的镜面抛光性能非常好，高达14000#。
　　(7)材料内部组织均匀无缺陷
　　模具材料的组织应均匀、无缺陷、方向性少、否则不仅影响模具的裂纹、强度、热疲劳性能，而且还影响热处理变形。
　　2 压铸模材料的选用原则
　　经上述分析及介绍可知，压铸模材料的选用原则是：
　　第一能满足被压铸材料工作条件的要求。
　　第二根据被压铸零件的大小来决定模具尺寸，并考虑到生产批量。
　　第三大、中型精密压铸模具，应选用加工工艺性能好、使用性能可靠和寿命长的钢种。
　　3 提高模具寿命方法
　　随着现代技术的进步，积极推广应用新技术，是进一步提高模具寿命的重要手段。较成熟的提高模具寿命的新工艺有模具整体强韧化处理及模具表面强化处理两大类。
　　3.1 整体强韧化处理
　　3Cr2W8V模具钢使用较广，常规热处理工艺为1050℃～1100℃淬火，550℃～620℃回火，硬度一般为45 HRC～50HRC，使用中常出现早期断裂现象，模具寿命往往是较低的。如改用高温淬火和高温回火新工艺，即1150℃高温淬火，640℃～680℃高温回火，硬度为40HRC左右，得到回火索氏体组织。这样，硬度虽然降低了些，但由于耐热疲劳性及断裂韧度大大提高，使用中避免了断裂现象的发生，使用寿命显著延长。若将回火温度控制在620℃～640℃，硬度保持43HRC左右，对一些凸模形状可以延缓产生塌陷时间。
　　3.2 表面强化处理
　　近几年来，随着工业的发展，对产品质量的要求日益严格，因而对模具的要求也越来越高。特别是精密压铸模具，除要求有很高的力学性能，还要求变形量很小，热处理后基本不再加工。下面介绍了三种常用的模具表面强化处理：
　　(1)模具气体软氮化
　　气体软氮化是一项新的化学热处理工艺，它是由液体软氮化发展起来的。这项工艺是在井式炉中使用尿素、甲酸胺、三乙醇胺等有机化合物作为渗剂，或通入氨加渗碳性气体等添加物进行氮化处理。
　　气体软氮化工艺除具有液体软氮化处理温度低、时间短、变形小、不受钢种限制，处理后能显著提高模具型腔的耐磨性、疲劳性、抗咬合及擦伤等性能外，还解决了液体软氮化的毒性问题，具有劳动条件好，氮化质量稳定，工艺操作方便等特点。
　　(2)模具离子氮化
　　离子氮化是提高模具零件耐磨性、疲劳强度、抗蚀性德一种新德化学热处理工艺，生产实践证实，应用在压铸模具上效果良好。
　　(3)模具渗铬
　　压铸模渗铬可提高型腔表明硬度(HV1300以上)、耐磨性、耐蚀性、疲劳强度和抗高温氧化性。对承受强烈磨损的模具，可显著提高使用寿命。
　　模具渗铬时，加热到950℃～1100℃，保温5h～10h即可形成一层结合牢固的渗铬层。渗铬层厚度一般较小，不影响模具型腔的尺寸。
　　例如，某厂对压铸件的一般形状及尺寸来说，铝合金压铸磨3Cr2W8V，经渗铬后的使用寿命可提高10倍左右。
　　4结束语
　　压铸模的工作条件极为复杂和恶劣，一副模具在使用过程中往往交织着多种损伤现象，这些损伤相互作用、相互促进，最后以一种或多种形式失效。所以，在选用模具钢时，应认真细致地进行探讨及分析，从而采用提高压铸模使用寿命地最佳措施，这将对降低生产成本提高经济效益具有重要地现实意义。