（材料加工工程专业论文）新型铜合金压铸模具钢的研究.pdf

山尔人学硕士学位论文 摘要 压铸是最先进的金属成型方法之一，应用很广，发展很快。但压铸模的服役 条件非常苛刻。由于铜合金的浇注温度较高，因此铜合金压铸模的使用寿命非常 低，仅相当于铝合金压铸模寿命的i 2 - i 3 。压铸模具钢中合金元素的含量较高， 形成的碳化物种类也较多。这些碳化物沿着初生奥氏体晶界偏析，从而造成组织 中有沿晶界连续分布的网状碳化物，导致模具钢的使用性能严重下降。此外，钢 中的磷易偏析，也严重降低钢的性能。因此，减轻磷的偏析、破碎沿晶界连续分 布的网状碳化物是提高压铸模综合性能的有效途径。对于压铸模具钢来说，合理 选材、采用合适的变质处理及热处理工艺，可以提高模具钢的质量，降低压铸生 产成本。 本文在实验室条件下，重点研究了化学成分选择、复合变质及热处理对铜合 金压铸模具钢的组织和力学性能的影响。利用金相显微镜及高倍视频显微镜 ( h s ) 、电子探针( e p m a ) 、d s c 等手段，首先研究了锌对磷在钢中偏聚的影响， 发现：锌能减弱磷在钢中的偏聚，提高钢的力学性能。此外，还研究了k n a 、r e 复合变质对钢组织和性能的影响。结果显示：压铸模具钢经过复合变质处理后， 晶粒得到了细化，碳化物的形貌也发生了显著的变化，网状碳化物断裂。k n a 具有很强的脱氧、脱硫能力，使得低熔点的硫、氧化物不能在晶界聚集，晶界大 大净化，有效减少杂质的数量，使得结晶核心周围过冷度均匀。稀土在钢中主要 偏聚在晶界上，具有减轻碳及其他合金元素向晶界的偏析，净化晶界，减少夹杂 物的数量，改善夹杂物的形貌和分布的作用；在凝固过程中，强烈吸附在碳化物 的某些生长表面上，阻碍碳化的生长，有利于碳化物的断网和孤立化。结果表明： 当加入0 5 的k n a 和o 5 的r e 复合变质处理时，新型铜合金压铸模具钢的组 织及力学性能最好。 研究了淬火温度、回火温度和回火保温时间等工艺条件对压铸模具钢组织和 性能的影响。发现模具钢随着淬火温度的升高，晶粒逐渐变大，在11 0 0 c 以下 时，晶粒长大并不是很明显，但是11 5 0 淬火后，晶粒特别粗大，故淬火温度 不宜超过1 1 0 0 。模具钢随着淬火温度的升高，硬度增加，线膨胀系数减小， 抗热疲劳性能增强，故较高的淬火温度有利于提高模具钢的性能。模具钢5 5 0 山东火学硕十学位论文 回火后硬度达到峰值。随着保温时间延长，硬度先增加后变小，在5 小时左右时， 硬度最大。最优热处理工艺为：1 1 5 0 1 1 0 0 cx 5 0 m i n ( 三次) ，油冷；5 5 0 。cx 3 5 h ( 二次) ，空冷。 关键词：压铸；铜合金；复合变质；热处理：性能 i l 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e c a s t i n gi so n eo ft h em o s ta d v a n c e dm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g i e s ，a n di ti s u s e dw i d e l ya n dd e v e l o p i n gf a s t i ti su s u a l l yu s e di ns e v e r er u g g e de n v i r o n m e n t b u t t h ep o i n to fp o u r i n go fc o p p e ra l l o yi sv e r yh i 曲，s ot h eo p e r a t i o n a ll i f es p a ni sv e r y s h o r t t h ed i es t e e lc o n t a i n sh i g hc a r b o na n dal a r g ea m o u n to fa l l o ye l e m e n t s ，w h i c h r e s u l t si nd i f f e r e n tk i n d so fc a r b i d e s t h ec a r b i d e ss e g r e g a t ed u et od e n s i t yv a r i a t i o n ， s ot h ep r o p e r t i e so ft h es t e e lw o u l db e c o m eu n h o m o g e n e o u sr a d i a l l y m e a n w h i l e ， s o m ec a r b i d e sd i s t r i b u t e a l o n gt h eb o u n d a r yo fa u s t e n i t eg r a i n sw h i l et h e y a r e p r e c i p i t a t i n gf r o mt h el i q u i dp h a s e ，w h i c hl e a d st ot h ee m e r g e n c eo fc o n t i n u o u s n e t w o r ko fc a r b i d e sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h i sw o u l dc a u s eas e v e r ed e c l i n eo fd i e c a s td i e s p r o p e r t i e s b e s i d e s ，p h o s p h o r u si su s u a l l ys e g r e g a t e d ，a n dt h i sc a l lr e d u c e t h ep r o p e r t i e so fs t e e l t h u si ti sa l le f f i c i e n ta p p r o a c ht oi m p r o v ed i ec a s td i e s p r o p e r t i e sb yp r e v e n t i n gs e g r e g a t i o no fp h o s p h o r u sa n db r e a k i n gt h e n e t w o r ko f c a r b i d e sd i s t r i b u t i n ga l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s a n dr e a s o n a b l es e l e c t i o no fm a t e r i a l s ， m o d i f i c a t i o na n dh e a tt r e a t m e n tc o u l ds a v eal a r g en u m b e ro fd i ec a s td i e sm a t e r i a l s ， r e d u c ep r o d u c t i o nc o s to fd i ec a s td i e sa n di m p r o v eq u a l i t ya n do u t p u to fd i ec a s td i e s i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m o d i f i c a t i o n t r e a t m e n ta n dh e a tt r e a t m e n to fd i ec a s td i e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l t h ee f f e c to fz i n co nt h es e g r e g a t i o no fp h o s p h o r u sw a si n v e s t i g a t e du t i l i z i n go p t i c a l m i c r o s c o p e 、h i - s c o p e v i d e o m i c r o s c o p e ( h s v m ) a n de l e c t r o c p r o b e m i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) w ef i n dt h a t ，z i n cc a l lr e d u c et h es e g r e g a t i o no fp h o s p h o r u s ， s ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e lc a nb ei m p r o v e d w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t o fk f n aa n dr ec o m p o u n dm o d i f i c a t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r eo fd i ec a s td i e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r a i ns i z ew a sr e f i n e d ，a n dt h em o r p h o l o g yo fc a r b i d e sw a s c h a n g e dg r e a t l ya f t e rc o m p o u n dm o d i f i c a t i o n t h en e t w o r ko fc a r b i d e sw a sb r o k e n 。 t h er e s u l ts h o wt h a tt h ed i ec a s td i e sm o d i f i e db yo 5 k n a + 0 5 r eh a st h eb e s t s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，t e m p e rt e m p e r a t u r ea n d i i i 山东人学硕士学位论文 t e m p e rt h e r m a lr e t a r d a t i o nt i m eh a v ea l s ob e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o wt h a t ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec r y s t a lg r a i n sf i leb i g g e r t h ec r y s t a l g r a i l l sl a r g e ns l o w l yu n d e r1 1 0 0 ( 2 ，b u tt h eg r a i nl a r g e n se x t r e m e l ya b o v e1 1 5 0 ( 2 s o t h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r es h o u l d b eu n d e r110 0 ( 2 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s si n c r e a s e s ，a n dt h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo f t h ed i es t e e li n c r e a s e d t h eh a r d n e s sa f t e r55 0 。ct e m p e rr e a c ht h em a x i m i z i n g w i t h t h el e n g t h e no ft e m p e rt h e r m a lr e t a r d a t i o nt i m e ，t h eh a r d n e s sf i r s tl a r g e n sa n dt h e n d i m i m i s h e s t h eh a r d n e s sa f t e r5h o u r st e m p e rt h e r m a lr e t a r d a t i o nr e a c ht h e m a x i m i z i n g i tw a sf o u n dt h a tt h eo p t i m u mh e a tt r e a t m e n tw a so i lq u e n c h i n gt h r i c ef r o m 10 5 0 - - 110 0 。cf o r5 0m i n u t e sa n dt e m p e r i n gt w i c ea t5 5 0 。cf o r3t o5h o u r s ，t h e n a i r - c o o l i n g k e yw o r d s ：d i ec a s t i n g ；c o p p e ra l l o y ：c o m p o u n dm o d i f i c a t i o n ；h e a tt r e a t m e n t ；p e r f o r m a n c e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：且蛆 日期：址 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 垂选盔导师签名： 山东人学硕十学位论文 1 1 选题的目的及意义 第一章绪论 压铸是一种在高温高压作用下使液态或半液态金属以较高的速度充填铸型， 并在压力下凝固成铸件的铸造方法。高压和高速度是这种铸造方法的特点。压铸 有很多优点。如：1 ，产品的质量好。产品的表面光洁度好，一般可达5 8 级； 尺寸精度高，一般相当于6 7 级，甚至4 级；尺寸稳定，互换性好；可生产薄壁 复杂的铸件。2 ，生产效率高，易实现机械化和自动化。3 ，经济效果优良。由于 压铸件尺寸精确，表面光洁等特点，一般不再进行机械加工而直接使用，或加工 量很小，所以既提高了金属的利用率，又减少了大量的加工设备和工时等。可以 说压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切削甚至无切削的有效途径，应 用很广，发展很快。目前压铸合金已经不再局限于有色金属的锌、铝、镁、铜， 而且也逐渐扩大到用来压铸铸铁和铸钢件【啦】。 压铸模的服役条件非常苛刻，压铸模的型腔表面主要承受高温高压的金属液 的压力、冲刷、侵蚀和高温的作用，每次压铸脱模后，还要对型腔表面进行冷却、 润滑，使模具承受频繁的急热、急冷作用。由于被压铸的金属材料不同，其熔化 的温度差别很大，使得压铸模的工作条件和使用寿命有很大的差别。相对于其他 有色金属来说，铜合金压铸模的服役条件更加苛刻。铜合金的浇注温度为9 4 0 - - - 9 8 0 ，以1 0 2 0 m s 的速度压入模腔，压射比压大约为4 0 1 0 0 m p a ，持压时间大约 为2 1 0 s ，铸件在铸型中的停留时间大约为8 - 2 0 s 1 3 1 ，因此铜合金压铸模的使用寿 命非常低，仅相当于铝合金压铸模寿命的1 2 1 3 。如果使用不当、模具材料质 量劣、机加工或热处理工艺不良，模具的使用寿命会更低。因此研究新型的铜合 金压铸模材料，具有很大的社会效益和经济效益【3 以们。 目前，我国压铸模的失效形式大多是热疲劳裂纹所致。模具受液态金属液的 熔损粘蚀作用成为模具失效的另一主要形式。因此，压铸模的寿命决定于两个因 素，即是否发生粘模和型腔表面是否出现龟裂。研究表明，一方面在铜合金的压 铸过程中，由于金属液在渗层中的快速扩散，使得模具的粘模倾向性增加，热熔 山尔人学硕士学位论文 损性能下降；另一方面在压铸模用钢的凝固过程中，由于碳及碳化物形成元素 c r 、m o 、v 等的偏析，在钢的晶界上形成大量粗大的呈连续网状分布的碳化物。 由于网状碳化物严重割裂基体，又可作为模具钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展途 径，使得模具钢的晶界脆化严重，韧性很低，抗热疲劳性能较差，在铸态下几乎 不能使用，必须通过在高温下反复锻造将模具钢铸锭中的网状碳化物打碎，使碳 化物呈粒状、弥散分布。 如果在铸态下能使碳化物形态得到改善的同时，又能降低模具的粘模倾向 性，则模具的热疲劳和热熔损性能将得到显著提高，换句话说，模具的寿命得到 了提高，甚至对于有些要求不太高的零件，在铸态下可以直接使用。这样不但可 以简化生产工艺，降低模具生产成本，提高模具寿命，而且还可以实现模具钢废 料的重熔利用，具有巨大的经济效益和实用价值。然而，由于铸态模具钢的碳化 物难以消除，粘模倾向性较大，模具钢在铸态下基本上不能使用。尽管有少数研 究者对其采用变质、热处理等方法在改善碳化物的形态和分布，使其团球化和消 除模具粘模性等方面做了一些工作，但还不够深入，远未达到实用化的程度。因 此，优化压铸模具钢的成分并采用复合变质减轻其在凝固过程中合金元素的偏 析，改善铸态钢中碳化物的形态和分布，降低模具的粘模倾向性，对于丰富模具 钢钢的变质理论，减轻模具钢的锻造负担，提高模具钢的热疲劳一热熔损性能， 增加钢的使用寿命，都具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 2 压铸模用钢的失效形式及材料进展 如何提高压铸模具的使用寿命，历来是人们所关心的问题。影响压铸模具使 用寿命的因素很多，如模具设计、模具材料、热处理状态、加工精度、表面处理 及工作环境等，其中材料是影响模具寿命最重要的内在因素。 1 2 1 压铸模具的失效形式 ( 1 ) 热裂 热裂是模具最主要的失效形式。热裂纹通常形成于模具型腔表面或内部热应 力集中处，当裂纹形成后，应力重新分布，裂纹发展到一定长度时，由于塑性应 变而产生应力松弛使裂纹停止扩展。随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一 2 山尔人学硕士学位论文 些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂 纹间相互连接形成网络状裂纹而导致模具失效。热裂主要是材料热应力疲劳所引 起，即材料在热应力的作用下，由于经常反复或脉动应变而产生的一种连续的、 局部的、永久性的组织变化。与热裂相对应的最重要的性能是材料的抗热疲劳性 能。迄今为止，衡量材料抗热疲劳性能的标准尚未统一。因此，如何用常规力学 性能来反映抗热疲劳性能就显的较为重要。有资料表明，与抗热疲劳性能有关的 最重要的力学性能是材料的强度，另一种观点则强调材料的韧性。根据疲劳强度 理论，强度高的材料更能适合长周期的弹性应变，在这种情况下，抗热疲劳性能 与强度的联系更为紧密。但是如果型腔表面的工作温度偏高( 如压铸铜及铁基合 金等) 或因其他因素使模具产生较大的热应力，从而使应变幅度大大超过材料的 弹性应变范围，应变则以塑性应变为主，具有低周疲劳特性。此时韧性高的材料 具有更大的优势，因此考核材料的热疲劳性能时，应注意区分材料的疲劳形式， 并据此确定材料合适的强韧性配合。 ( 2 ) 侵蚀或冲刷 侵蚀或冲刷是由于机械和化学磨损综合作用的结果。熔融铜合金以高速注入 型腔，造成型腔表面的机械磨蚀，此外铜充填到裂纹之中与裂纹壁产生机械作用， 并与热应力叠加，加剧裂纹尖端的拉应力，从而加快了裂纹的扩展。提高材料的 高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗侵蚀能力。 1 2 2 国内外常用的热作模具材料 表1 1 为早期常用热作模具钢成分。自2 0 世纪3 0 年代初至今，在工业中一 直广泛应用5 c r n i m o 钢。为了节约镍，人们研制了5 c r m n m o 钢，其强度和淬 透性不亚于5 c r n i m o ，但韧性稍差。这两种钢属高韧性热作模具钢。5 c r n i m o 属于制造中、大型( 锻模高度大于3 0 0 m m ) 或型腔复杂的热锻模；而5 c r m n m o 适用于制造中、小型锻模( 锻模高度小于3 0 0 m m ) 。两种钢的主要缺点是热强度 及热稳定性稍差，3 c r 2 w s v 钢于2 0 世纪2 0 年代开始在工业中使用，是一种高 热强性热模钢，并具有良好的锻造、机械加工、热处理工艺性能，在热挤模和热 冲模上广泛应用，但3 c r 2 w 8 v 钢含有较多的钨，热疲劳性差，尤其是水冷时， 模具热疲劳性能更低【l 。 山东人学硕七学位论文 表1 1 早期常用热作模具钢化学成分【1 l t a b l ei 1t h ec o m p o s i t i o no fe a r l yc a s t i n gd i es t e e l 钢号元素含量， c c rm owvs i 其他 5 c r n i m oo 5 加60 5 0 80 1 5 o 3 01 4 1 6 n i 5 c r m n m o 0 5 0 60 6 0 90 1 5 0 3 01 2 1 6 m n 3 c 眩w 8 v0 3 - 0 4 2 2 2 7o 1 5 o 3 07 5 9 0 o 2 0 5 ( 1 ) h 系列 a i s i 标准的h 系列钢是目前世界上用量最大的二次硬化性热作模具钢( 如 表1 2 所示) ，这些钢可以制造比5 c r n i m o 和5 c r m n m o 具有更高强韧性要求的 热锻模，和比3 c r 2 w 8 v 有更高热疲劳性能要求的热挤模、热冲模和压铸模。 表1 2h 系列热作模具钢化学成分l t a b l e1 2t h ec o m p o s i t i o no fhs e r i e sc a s t i n gd i es t e e l 钢号元素含量， cc rm owvs i 其他 h 1 0 o 3 5 o 4 5 3 3 7 52 o 3 0o 2 5 0 7 50 8 1 2 h 1 1o 3 3 0 4 34 7 5 5 51 1 1 60 3 0 - o 6 00 8 1 2 h 1 20 3 5 - 0 4 54 7 5 5 51 6 - 2 4o 6 1 00 8 1 2 h 1 3o 3 2 0 4 54 7 5 5 51 1 1 7o 8 0 1 2 00 8 1 2 h 1 3 钢由于v 含量比h 1 1 增加了一倍，从而提高了钢的热强性。该钢具有 良好的抗热疲劳及较高的韧性。9 0 以上的压铸型腔模都是由h 1 3 钢制造。但 h 1 3 钢在6 0 0 以上的热强性欠佳，不适合压铸高熔点合金，比如铜合金。h 1 0 钢比h 1 1 钢具有更高的热强性，但韧性和高温塑性比h 1 3 钢低，经过适当的表 面处理后，其使用寿命可达到相当高的水平。 h 1 3 钢是相当成熟的压铸模具钢，通过提高冶炼质量可进一步改进性能。优 质h 1 3 钢就是采用e a f 或u h p ( 电弧炉和超高功率电弧炉) + 炉外精炼( 如v h d 、 v a d 、l f 等) 而得到的。与h 1 3 钢相比，优质h 1 3 钢中夹杂物及气体含量大大 降低，材料的韧性及其他一些力学性能也相应提高。研究表明，优质h 1 3 钢的 使用寿命普遍高于普通h 1 3 钢f 1 2 】。 4 山东人学硕十学位论文 ( 2 ) q r o 系列 表1 3 是瑞典研制的q r o 系列热作模具钢的化学成分【i 。瑞典b o f o r s 公司 在h 1 0 钢的基础上加入2 8 的c o ，研制出一种新型压铸模具钢q r 0 4 5 ，该钢 具有优良的抗软化性能。在6 0 0 以上，其高温强度高于h 1 3 钢。之后瑞典的 u d d h o l m 公司又相继开发出q r 0 8 0 m 和q r 0 9 0 s u p r e m e 压铸模具钢。与h 1 3 钢 相比，q r 0 8 0 m 和q r 0 9 0 s u p r e m e 具有较低的c r ，同时增大了钢中的m o 含量， 从而推迟了高温稳定性较好的m c 型碳化物向稳定性较差的m 2 6 c 6 型碳化物转 变，使该钢种具有更为持久的高温强度及抗热疲劳性能。 表1 3q r o 系列热作模具钢化学成分l l l l t a b l e l 3t h ec o m p o s i t i o no fq r os e r i e sc a s t i n gd i es t e e l 钢号元素含量， cc rm 0w v s i其他 q r 0 4 5 0 332 80 9 50 7 52 8 c o q r 0 8 0 0 42 62 o1 20 3 5 q r 0 9 0 s u p r e m e 0 42 62 2 50 9o 3 5 在5 0 0 7 0 0 。c 时，q r 0 9 0 s u p r e m e 钢中的碳化物多为尺寸小、热稳定性高的 m c 型碳化物，而h 1 3 钢仅在5 0 0 - 6 0 0 时为m c 型碳化物，在6 0 0 7 0 0 时， m c 型碳化物转变为尺寸大、热稳定性差的m 2 6 c 6 型碳化物。 ( 3 ) c r - n 二次硬化钢 h 1 3 钢与q r 0 9 0 s u p r e m e 钢的高温强化机理都是利用碳化物的二次硬化作 用，而美国专利热作模具钢c r - n 钢( 成分如表1 4 所示) 则是利用氮的固溶强 化及氮化物的析出强化作用【圯】。这种钢是由低c 、高c r 含n 钢发展而来。在含 1 1 c r 的钢中加入0 1 的n ，除了利用固溶强化效果外，同时也可形成氮化物 增强材料的耐磨性。这种强化机制克服了h 1 3 钢的一些脆性断裂问题，具有优 良的抗热疲劳性能，用该钢种制成的铝压铸模的使用寿命高达8 0 1 0 0 万次。 表1 4 美国c r - n 热作模具钢化学成分【1 2 1 t a b l e1 4t h ec o m p o s i t i o no fc r - nc a s t i n gd i e 山东人学硕七学位论文 ( 4 ) 国产主要热作模具钢 表1 5 是国产主要热作模具钢的化学成分f 1 3 。1 9 】。h m l ( 4 c r 3 m 0 3 w 2 v ) 钢和 h m 3 ( 3 c r 3 m 0 3 v n b ) 钢是结合我国资源条件研制而成的【1 3 , 1 4 , 1 7 1 。h m l 钢获国家 发明奖，在h 1 0 ( 3 c r 3 m 0 3 v ) 的基础上，增加钨并提高钒含量，在保持较好的 强韧性条件下提高其热稳定性( 国外加入c o ) 。这两种钢突出的优点是具有较高 的室温及高温冲击韧性和优良的抗热疲劳性能，是用于制造高温、高速、高载荷、 水冷条件下工作、因断裂或热疲劳失效的热作模具。g r ( 4 c r 3 m 0 3 w 4 v t i n b ) 钢【1 3 , 1 4 】含有较高的钨和少量的钛和铌，具有较高的热强性和热稳定性以及良好的 热疲劳性，适用于制造温度较高，与工件接触时间长，容易引起变形塌陷或热磨 损失效的模具。t m 1 6 , 1 7 】钢与q r 0 9 0 s u p r e m e 钢的成分不同之处是加入了少量的 n b 和微量的b 。对h d 2 钢的研究表明，适当的合金元素配比对改善钢的性能是 十分重要的。1 的n i 能增a n - 次硬化峰值的硬度，提高断裂韧性和钢的室温和 高温塑性及韧性。q 1 2 a i 钢【1 4 d6 】( 5 c r 4 m 0 3 s i m n v a i ) 是在高速钢的基体上添加 非碳化物形成元素s i 、舢和弱碳化物形成元素m n ，具有比较好的热稳定性，断 裂韧性高。c g 2 ( 6 c r 4 m 0 3 n i 2 w v ) 钢也属于基体钢。这两种钢含碳量高，热疲 劳抗力较差，突出的优点是具有高的硬度、强度以及耐磨性，可冷热兼用。 6 表1 5 国产主要热作模具钢化学成分【1 3 。1 9 l t a b l e1 5t h ec o m p o s i t i o no fh o m e m a d ed i ec a s t i n gs t e e l 钢号元素含量， cc rm 0w v s i其他 h m l0 3 2 - o 4 22 8 3 32 5 3 o1 2 1 8o 8 1 2 h m 3o 2 - o 2 82 6 3 22 7 - 3 2 0 6 0 80 0 8 o 15 n b g r0 3 7 - 0 4 72 5 3 52 0 3 o3 5 _ 4 51 0 1 4o 1 0 2 70 1 _ 0 2 n b h d 20 3 5 0 4 52 5 3 01 8 2 21 0 1 4o 1 4 _ 0 2 2 t m0 4 2 82 11 o1 o0 41 o m n y 40 42 82 11 o0 41 o m n q 1 2 a 0 4 7 - 0 5 73 8 _ 4 32 8 3 3o 9 1 2o 8 1 1o 3 - o 7 a l 山东人学硕十学位论文 1 3 压铸模用钢的生产现状 压铸模用钢直接关系到产品的质量、性能、生产率及成本，而模具的质量与 使用寿命与制造模具的钢材及工艺有直接的关系。压铸是一种高效益、高效率无 切削金属热加工成形方法。近二十年来，这项技术发展的十分迅猛。目前，压铸 零件以在各个工业部门的许多产品中得到了广泛的应用。由于压铸生产的工作原 理在压铸过程中，压铸模直接与高温、高压、高速的金属液相接触，一方面 它要受到金属液的直接冲刷、磨损、高温氧化和各种腐蚀；另一方面由于生产的 高效率，模具的温度升高和下降非常激烈，并形成周期性的变化，造成压铸模工 作在极其恶劣的环境下，易产生热疲劳和热熔损失效，由于上述原因，要求压铸 模用钢具有良好的使用性能和工艺性能。 1 3 1 模具钢在使用性能上主要应考虑的因素 ( 1 ) 硬度和红硬性( 热稳定性) 硬度是模具钢的重要性能指标，模具在工作过程中应能在压应力的作用下， 保持其形状和尺寸不会迅速发生变化。因此经过热处理后的模具应具有足够的硬 度，如热作模具硬度一般在h r c 6 0 以上。红硬性使指在受热或高温工作条件下， 能够保持组织和性能稳定，具有抗软化能力，在5 0 0 6 0 0 c 条件下，仍保持足够 高的硬度。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理制度，是热作模具钢的 重要性能指标之一【2 0 1 。 ( 2 ) 耐磨性 模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具在这种条件下仍能保 持尺寸和形状不变。模具在工作时主要是遭受滑动摩擦，其摩擦情况很复杂，模 具的耐磨性不仅取决于钢的成分、组织和性能，而且与工作温度、载荷( 压力) 状态、润滑介质等有较大的关系。提高钢的硬度，有利于提高钢的耐磨性，但到 了一定硬度值之后，再提高硬度对提高耐磨性所起的意义就不显著了【2 。 ( 3 ) 强度和韧性 模具在工作中承受最大负荷及冲击、震动、扭转和弯曲等复杂应力。重负荷 的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂而提前损坏。因 7 山东人学硕十学位论文 此，使模具钢保持足够的硬度和韧性，有利于延长模具寿命。但是，钢的晶粒度 和钢种碳化物的数量、大小及分布情况以及残留奥氏体量等，均对钢的强度和韧 性有很大的影响。例如，随着钢种晶粒的长大和碳化物分布不均匀度的增加，钢 的强度下降，而对韧性的下降更为明显【2 2 】。 1 3 2 模具钢在工艺性能上主要应考虑的因素 ( 1 ) 加工性 加工性是指锻、轧热加工性以及切削、研磨等形式的冷加工性能，它们与钢 的化学成分、冶金质量、组织形态及含硫磷量有关。模具钢大部分都是含有多种 合金元素，而且含量较高的钢种，尤其是高碳、高合金钢，在进行热加工时要严 格控制加热制度及冷却方式，以避免或减少热加工废品，而在冷加工之前，应改 变组织状态，以减少冷加工过程中刀具的磨损，提高模具的表面质量。 ( 2 ) 热处理变形和淬火温度 制成的模具，进行最终热处理时要求模具的尺寸与形状越稳定越好，因此， 在热处理时对模具所产生的变形程度要求很严；同时，要求淬火温度足够宽，以 减少出现过热现象。 ( 3 ) 淬硬性和淬透性 淬硬性主要与钢的化学成分特别是含碳量有关。淬透性除了决定于钢的化学 成分外，还与钢的原始组织有关。模具钢对这两种性质的要求，根据不同模具的 使用条件各有侧重。 ( 4 ) 脱碳敏感性 模具表面发生脱碳，会是模具表面层的机械性能降低，因此，要求模具钢的 脱碳敏感性越低越好。但是，在相同的加热条件下，钢的脱碳敏感性决定与钢的 化学成分，特别是含碳量。 热作模具是在高温下加压，强迫金属在型腔中流动成型的工具。为适应热 作模具恶劣的工作环境，提高使用寿命，要求优质的热作模具钢应具有高的热 强度，良好的耐回火性，高的韧性和塑性，小的热膨胀系数和好的导热性等优 异的力学性能和使用性能。 8 山东大学硕十学位论文 1 3 3 国内存在的问题及原因 大量试验研究表明，在压铸过程中，疲劳裂纹往往是从碳化物和基体的界面 处和夹杂处起源的。铜合金压铸模的服役条件较为苛刻，铜合金熔液的浇注温度 通常在9 4 0 9 8 0 之间，以1 5 - 2 0 m s 的速度压入模腔，压射比压大约为4 0 l o o m p a ，持压时间2 - - - l o s ，铸件在型腔中的停留时间大约为8 - - 3 0 s 。由于铜合 金压铸模具的服役条件较为苛刻，使用寿命相对来说比较低，使用寿命相当于铝 合金模具使用寿命的1 2 l 3 ，如果使用不当、模具材料质量劣、机加或热处理 工艺不良，模具的使用寿命会更低。模腔表面受到高温高速金属液的反复冲刷， 产生较大应力。随着模具寿命的提高，模具受液态合金的熔损粘蚀作用将成为模 具失效的主要形式。因此，铜合金压铸模的寿命决定于两个因素，即是否发生粘 模和型腔表面是否出现龟裂。 1 3 4 新的提高模具寿命的方面 ( 1 ) 表面强化处理【2 3 l 通过调整一般热处理工艺改善钢的强度和韧性，获得强韧性的良好配合，是 提高模具寿命的有效途径之一，采用不同的表面强化处理工艺，并以适宜的心部 性能相配合，可赋以模具表面以高硬度、耐磨耐蚀、耐热、抗咬合和低摩擦系数 等许多优良性能，使模具寿命提高几倍甚至几十倍。 ( 2 ) 化学气相沉积( c v d ) 美国将c v d 技术应用于紧固件模具，提高寿命3 、5 倍。为了利用t i c 的高硬 度及t i n 的高润滑性，采用了这两种材料的复合涂层，日本用于拉深凹模提高寿 命8 倍，国内应用也都使寿命成倍的提高。 ( 3 ) 物理气相沉积( p v d ) 物理气相沉积是用物理方法把欲涂覆物质沉积在工件表面上形成膜的过程。 在进行p v d 处理时，工件的加热温度一般在6 0 0 c 以下，这对于高速钢、合金模 具钢及其他钢材制造的模具都具有很重要的意义。目前常用的有三种物理气相沉 积方法，即真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀，其中离子镀在模具制造中的应用较广。 ( 4 ) 离子注入 离子注入是把工件放在离子注入机的真空靶室中，将需要注入的元素在离子 9 山东人学硕士学位论文 源中进行离子化，以几十至几百千伏的电压把形成的离子引入磁分析器，在磁分 析器中把具有一定荷质比的离子筛选出来，并导入加速系统，高能离子在扫描电 场作用下，可在材料表面纵横扫描，从而实现高能离子对材料表面的均匀注入。 金属经过离子注入后，在零点几微米的表层中增加注入元素和辐射损伤，从而使 金属的耐磨性、摩擦系数、抗氧化性、耐腐蚀性发生显著变化。经离子注入后， 某些金属材料的耐蚀、耐磨和抗氧化性能可提高近1 0 0 0 倍。 ( 5 ) 超低温处理 超低温处理是常规淬火工艺后的后续过程，淬火后的工件经1 0 0 左右低温 回火后，立即放入以液氮做致冷剂的超低温处理设备中进行超低温处理。d 2 钢 经1 6 0 - - - 1 4 0 超低温处理后，残余奥氏体量为1 5 3 0 左右，组织明显细化， 并有大量的微细碳化物沿原奥氏体晶界及马氏体晶界和马氏体晶粒内弥散析出 2 5 1 。 1 3 5 热作模具钢的发展方向 当前模具材料的发展方向主要在开发研制新型模具材料和改进加工处理方 法等方面。 ( 1 ) 发展综合性能较好的热作模具钢 u h bq r o9 0s u p r e m e 是第三代性能更加优异的热作模具钢，可以与h 1 3 钢实施同样的热处理常规工艺和新工艺方法。与优异的h 1 3 钢相比具有更细的 显微组织、更高的回火稳定性、更好的热强度和热硬度、相同的常温力学性能， 但具有更高的高温强度。 ( 2 ) 采用热处理新工艺 对模具钢采用热处理新工艺，如高温淬火、双重淬火、控制冷却速度淬火、 深冷处理等，从而改善模具性能，提高模具寿命。 ( 3 ) 引用高温合金及难熔金属 美国已采用p y r o t o o l 型( c v n i m o t i c o ) 高温合金作热挤模具，用t z m ( 钼 基) 与a n v i l o y ( 钨基) 难熔合金作热挤模具和压铸模具。 ( 4 ) 采用真空冶炼和电渣重熔技术 为改善钢材内在质量，现已采用真空冶炼和电渣重熔技术生产模具钢。这类 1 0 山东人学硕十学位论文 技术可显著减少钢中气体和非金属夹杂物，使钢组织均匀致密，因而可明显提高 钢的韧性，尤其是模内韧性。 1 4 压铸模用钢的研究现状 1 4 1 压铸模用钢的合金元素心h 7 1 ( 1 ) 碳含量的影响 图1 1 是碳含量对新型铸造压铸模具钢硬度的影响，图1 2 是碳含量对新型 铸造压铸模具钢冲击韧性的影响。由图可见，随着碳含量的增加，新型铸造压铸 模具钢硬度增加，而冲击韧性显著下降。图1 3 为碳含量对新型铸造压铸模具钢 抗拉强度的影响，随着碳含量的增加，压铸模具钢强度增加。上述结果表明，新 型铸造压铸模具钢的强韧性行为是随着含碳量的增加而改变的，符合碳含量高， 强度与硬度高，塑性和韧性低；碳含量低，强度与硬度低，塑性和韧性高的规律。 譬 z _ 链 暖 碳含t 。州 图1 1 碳含量对新型铸造压铸模具钢硬度的影响 f i 9 1 1e f f e c to f c o i lh a r d n e s so f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 山东人学硕士学位论文 童 - 二 蓄 善 磕含量啊 图1 2 碳含量对新型铸造压铸模具钢冲击韧性的影响 f i 9 1 2e f f e c to f co ni m p a c tt o u g h n e s so f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 一 山 = - 驾 喇 捌 蒜 蒙古t 。w 瞒 图1 3 碳含量对新型铸造压铸模具钢抗拉强度的影响 f i 9 1 3e f f e c to f co nr e s i s t - d r a wi n t e n s i o no fn e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l ( 2 ) 铬含量的影响 图1 4 和图1 5 分别为c r 含量对硬度和冲击韧性的影响。由图可知，当c r 含量较低时，钢的硬度随含c r 量的增加而增加，当钢中的c r 含量超过5 时， 其硬度随含c r 量的增加而减少。钢的冲击韧性随含c r 量的增加而下降。 1 2 山东大学硕士学位论文 图1 4 铬含量对新型铸造压铸模具钢硬度的影响 f i 9 1 4e f f e c to f c ro i lh a r d n e s so f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 7 图1 5 铬含量对新型铸造压铸模具钢冲击韧性的影响 f i 9 1 5e f f e c to f c ro ni m p a c t t o u g h n e s so f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 由于铬容易溶入难熔化合物，削弱其中的原子间结合力，使其中的m o 、v 、 t i 等元素溶解于基体，增加基体的合金化程度，同时，c r 固溶于马氏体中，有 助于提高其抗回火能力并出现二次硬化效应，因此，固溶强化与析出强化加强， 硬度升高；当钢中的c r 含量达到5 时，钢中的奥氏体含量增加，模具钢的硬度 反而下降。 ( 3 ) 钼含量的影响 图1 6 和图1 7 分