热作模具钢发展现状.pdf

模具材料及热处理技术 J ，! 一；、 ；、! 爿j i ! 。! ；。g ；g ；! ? s ；g ；! 一i 占7 量i 啊 。占宁、坷拿 模具材料及热处理技术 ! 品矗纷! 暑味! 瘩蛤! 二! 盎蛤臻! 矗坊蠕簖蠕蠕出略、塑 热作，I t 、- 厂模具钢发展现状 王斌 卧龙电气集团股份有限公司( 浙江上虞3 1 2 3 0 0 ) 【摘要】介绍了国内外热作模具钢的发展现状，对压铸模选材有一定的借鉴作用。 关键词：型腔；压铸模；热疲劳 中图分类号：T G 3 1 6文献标识码：B D e v e l o p m e n tS t a t u so fH o tW o r kD i eS t e e l 【A b s t r a c t 】T h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fh o td i es t e e la th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d ，w h i c hc a n b eu s e df o rr e f e r e n c ei nt h es e l e c t i o no fd i e - c a s t i n gd i es t e e l K e yw o r d s ：c a v i t y ；d i e - c a s t i n gd i e ；t h e r m a lf a t i g u e 1 压铸工艺特点 高压和高速充填压铸模型腔是压铸的两大特 点：它常用的压射比压是从几千至几万k P a ，甚至高 达2 x1 0 5 k P a 。充填速度约在1 0 5 0 m s ，有些时候甚 至可达l O O m s 以上：充填时间很短，一般在0 O l 0 2 s 范围内。与其它铸造方法相比，压铸有以下3 方 面优点。 ( 1 ) 产品质量好。 铸件尺寸精度高，一般相当于6 。7 级，甚至可达 4 级。表面光洁度好，一般相当于5 8 级，强度和硬 度较高，强度一般比砂型铸造提高2 5 3 0 ，但延 伸率降低约7 0 ；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复 杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达 0 3 m m ；铝合金铸件可达0 5 r a m ；最小铸出孑L 径为 6 0 7 r a m ；最小螺距为0 7 5 r a m 。 ( 2 ) 生产效率高。 机器生产率高，例如国产J 3 型卧式冷空压铸机 平均八小时可压铸6 0 0 7 0 0 次，小型热室压铸机平均 每八小时可压铸3 , 0 0 0 7 , 0 0 0 次；压铸模寿命长，一副 压铸模压铸铝合金，寿命可达几十万次，甚至上百万 次；易实现机械化和自动化。 ( 3 ) 经济效果优良。 由于压铸件具有尺寸精确，表面光洁等优点。一 般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所 以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和 工时；铸件价格便宜。可以采用组合压铸，以压铸其 他金属或非金属材料。既节省装配工时又节省金属。 压铸虽然有许多优点，但也有一些缺点，尚待解 决。如： ( 1 ) 压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态 不稳定，故采用一般压铸法，压铸件易产生气孔，不能 进行热处理。 ( 2 ) 对内凹复杂的铸件，压铸较为困难。 ( 3 ) 高熔点合金( 如铜，黑色金属) ，压铸模寿命 较低。 ( 4 ) 不宜小批量生产，其主要原因是压铸模制造 成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。 2 铜合金压铸模工作特点 2 1 热疲劳龟裂 当约1 , 0 0 0 0 C 1 ，1 0 0 。C 熔融铜合金注入压铸模， 产生流动铜液与型腔间的热传导。因焖模时间长，型 腔瞬时温度高达6 5 0 c | C ，甚至更高。在金属凝固过程 中，铸件与型腔热传导及铸件与型腔间分别由辐射和 对流产生的冷却，导致型腔表层温度高，内层温度低， 型腔内外层产生温度梯度。表层膨胀，硬度和强度急 剧降低。金属表层产生较大拉应力，内层金属为压缩 应力。当应力大于该材料强度极限时，便在型面最敏 模具制造) ) 2 0 1 7 年第2 期 7 9 万方数据 模具材料及热处理技术 感区域产生热疲劳龟裂，并逐渐扩展形成独立分割网 状龟裂。 2 2 熔损和冲蚀 压铸时，当1 , 0 0 0 。C 。1 ，l O OS E 熔融铜液在高温、高 压和高速冲击型腔而产生多种应力，在应力交变反复 作用下导致点蚀、麻坑：机械冲蚀主要是磨蚀和气 蚀。磨蚀是因铜合金含有不均匀相熔融铜合金流过 型面引起。气蚀是因熔融铜气泡逸出和型面化学成 分变化，出现最不耐蚀的屈氏体组织及型面氧化脱碳 或铜渡粘着型面引起。 2 3 型腔塑性变形 模坯未经改锻和预处理不充分，粗大的原始组织 和严重偏析及块状、链状、堆集状碳化物保留在淬火 组织中。淬火加热温度偏低，奥氏体合金化程度不 足，导致淬火、回火后高温强度、红硬性、热稳定性不 足，及回火不充分、回火温度过高、型面硬度过低 ( 3 5 H R C ) 上述热处理组织性能缺陷导致服役间型 腔在外力和高温作用下发生塑性变形失效。依据服 役条件铜合金压铸模应具有在5 5 0 。C 高温下不发生 相变保持足够高温屈服强度、高温硬度、热稳定性、热 磨损抗力和抗熔损及抗冲蚀等性能。 3 我国铜合金压铸模具用热作模具钢的发展 现状 我国目前主要用与铜合金压铸模的热作模具钢 有3 C r 2 W 8 V ，H 1 3 ，S K D 6 1 及8 4 0 7 钢等等。影响压铸 模具寿命的因素很多，诸如热作模具钢的材质、热处 理工艺、冷加工工艺( 包括电火花加工及线切割) 、模 具结构及工艺系统、模具的保管维护、所选用的压铸 合金及压铸机等等。造成压铸模失效的因素主要是 热疲劳( 铝合金压铸模占6 0 7 0 ，铜合金压铸模 占8 0 9 0 ) 、粘蚀、熔蚀、变形、脆性开裂和塌陷 等等： 各元素对热作模具钢的影响：C 含量高增加钢的 强度与耐磨性，降低延展性及韧性，降低钢的淬火温 度与热传导率，造成机加工困难。C r ，W 能减小钢的 热膨胀系数，C r 在高温下形成的氧化物可以防止钢的 表面继续氧化。V 含量不多时可以使钢在c 含量增加 时而不显著降低其韧性。高W ，M o 含量使热作模具 钢在高温下具有较高的强度、硬度和抗回火稳定性。 利用电渣重熔和真空白耗熔炼热作模具钢，以及利用 稀土变质热作模具钢，使H 1 3 钢的合金元素偏析现象 明显减弱，可大幅度提高模具钢的冲击韧度。 热作模具钢的热处理热加工的各环节对于提高 压铸模的寿命至关重要。压铸模的加工工艺一般为 锻造一球化退火一粗加工一稳定化处理一精加工一 最终热处理( 淬火、回火) 一钳修一抛光一渗氮( 或碳 氮共渗) 一装配：淬火回火的目的是形成各种弥散分 布的硬的合金碳化物，调整硬度，提高耐溶损、耐磨损 等综合性能。 3 13 C r 2 W 8 V 用3 C r 2 W 8 V 钢做压铸模型腔和成型零件，从力学 性能看3 C r 2 W 8 V 钢的强度，塑性和韧性还是较好的， 但是实际使用的结果说明其热疲劳性较差，碎裂与崩 裂失效也时有发生。其主要原因是；这种钢含钨量 较高，冶炼质量不易控制；市场上供应的3 C r 2 W 8 V 钢均未经精炼处理，因含钨量高，散导热性较差； 3 C r 2 W 8 V 锕的热膨胀率较大：虽然有上述缺点，但目 前仍为压铸模材料的主要钢种：用3 C r 2 W S Y 钢制作 压铸模型腔和成型零件时，应进行三向锻造。 3 24 C r 5 M o S i V l ( H 1 3 ) 4 C r 5 M o S i V l 钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性 能，不易产生热疲劳裂纹，而且抗粘结力强，与熔融金 属相互作用较小，因此用这种材料制作的模具，其生 产的压铸件外观质量较好。该材料同时还具备较高 的热强性，是一种强韧兼备的质优价廉钢种，因此在 国内外被广泛应用于压铸模具。但是4 C r 5 M o S i V l 钢 制作的压铸模具，特别是大型压铸模具在热处理后和 使用中常常发生不正常断裂，导致模具早期失效，严 重影响了工厂的生产和经济效益。 3 - 3 新型铜合金压铸模具用热作模具钢4 C r 3 M 0 3 M n V N b B 电渣重熔4 C r 3 M 0 3 M n V N b B 钢纯洁度高，杂质 少，化学成分均匀，热加工性能优良，冶金缺陷少，晶 粒细密，组织均匀，它含有C r 、M o 、V 、N b 等多种碳化 物形成元素和含有B 、N b 特种功能元素C r 可细化晶 粒，增加钢的强韧性、耐磨性、抗蚀性和抗氧化等性 能。M o 可细化晶粒，提高热强性、淬透性、耐磨性、耐 蚀性、抗氧化性、弹性极限，防止二类回火脆性。v 可 细化晶粒，强化铁素体，提高滚透性、淬硬性、耐磨 性、耐蚀性和回火稳定性，防止二类回火脆性，降低过 8 0 模具制造) 2 0 1 7 年第2 期 万方数据 模具材料及热处瑚酣芰术 热敏感性。N b 以微量元素加入钢中，可提高室温冲 击韧性一倍。N b 与N 有极强亲和力，形成稳定的 N b N ，改善热加工性能，减少锻造变形抗力，细化晶 粒，合金碳化物较易球化，改善基体强韧性，B 在钢中 可溶于F e 内形成间隙式和置换式固熔体，能与F e 、C 、 N 等元素形成化合物。B 元素溶人钢中使C 1 曲线右 移，增加奥氏体稳定性、淬透性和高温强度。B 加入 量很小，仅0 0 0 1 0 0 0 3 ，因B 含量超过规定上限易形 成F e 2 3 ( C 、B ) 脆性相，沿奥氏体晶界呈网状析出，将 急剧降低钢的整体力学性能。因此，必须严加控制B 元素的加人量。 4 国外热作模具钢的新进展 4 1H 1 3 钢 H 1 3 钢是韧性最好的压铸模钢种之一。它具有 良好的抗热疲劳陛能，中等耐磨性。使瞬时可以进 行水冷。通过渗碳，氮化处理可以提高表面硬度。热 处理变形小，抗高温软化能力较强国外把H 1 3 钢列 为标准的典型热作模具钢。据W i l l a mY o u n y 报道 9 0 以上的压铸型腔模是由H 1 3 钢制造的。由此可 见，H 1 3 钢在压铸模中的地位是很重要的。 4 2 Q R 0 4 5 钢 瑞典B O F O R S 公司在H 1 3 的基础上加人2 8 C o 研 制出一种新型压铸模台金Q R 0 4 5 ，它与英国B H l 0 A 钢相类似在几个国家获得专利。虽然它的总合金含 量低，但具有良好的耐热磨损性，可代用钨系Z i 2 1 钢 和含钨5 7 的铬系H 1 4 、H 1 6 、H 1 9 钢等。与H 1 3 钢比较，Q R 0 4 5 钢具有优良的抗软化性能，在6 0 0 0 C 以上其高温强度比H 1 3 锕高。这种钢除用于压铸模 材料外，还广泛用于热锻模。 4 3马氏体时效钢M A R A G I N G 2 5 0 M A R A G I N G 3 0 0 马氏体时效钢主要用于铜合金 和大型铝合金压铸模。其室温与高温强度都比H 1 3 钢高，韧性好，工艺性能好据D u n n 介绍，澳大利亚某 压铸厂分别用H 1 3 ，优质H 1 3 和M A R A G I N G3 0 0 制 造重3 k g 铝合金铸件的压铸模。经生产应用表明，优 质H 1 3 和M A R A G I N G3 0 0 压铸模使用寿命大大延 长，产品成本也随之降低。虽然M A R A G I N 0 3 0 0 模具 成本比优质H 1 3 钢高2 3 ，但使用寿命超过优质 H 1 3 钢1 5 2 ，超过普通H 1 3 钢2 6 8 。由此可见，马 氏体时效钢在大型铜合金铝合金压铸模中应用效果 是很好的。 4 4 钼基合金 钼基合金是难熔金属，脆性大，缺口敏感性强，导 热佳能好。用钼基合金制造压铸模嵌镶块可以防止 严重的热裂纹和冲蚀等缺陷。最常用的钼基合盒是 含0 5 T i ，0 0 8 Z