（材料加工工程专业论文）压铸铝合金模具温度场应力变形分析及其延寿研究.pdf

中文摘要 铝合金压力铸造是应用十分广泛的铸件成形工艺，提高其模具寿 命是实现优质高效压铸的关键。本文在对模具温度场和应力变形进行 深入分析和实践验证的基础上，围绕压铸铝合金模具延寿问题进行了 系统的研究。 分析结果表明，模具型腔表面工作在由许多亚工作温度范围组成 的温度区间中，其中温度变化速率最大的有三个瞬间，现有模具冷却 水道通过缩短模具处于高温下的时间而提高模具寿命。合模力以及急 热的反复作用导致模具变形并呈现反拔模斜度，模具设计时的预留处 理可以避免早期的型腔表面打磨而延长模具寿命。 在调研的基础上，分析了模具型腔表面裂纹的形貌，分布特点及 其机制，型芯的失效形式及其机理。研究表明，型腔表面裂纹主要呈 现三种形貌，型芯失效主要是弯曲变形失效。 压铸过程中模具材料的溶损和模具钢中碳化物的粗化降低了模具 寿命。在实验的基础上研究了模具材料溶损的一般规律，以及由于扩 散所导致碳化物粗化的速度及其规律。 归纳出模具有效寿命与铸件成品率以及压铸工艺参数的定性关 系，即l i f e d i e o c ( 1 + k ) “。提出了模具设计中一些不同于传统设计但有 助于延长模具寿命的灵活处理方法。 对模具型腔喷涂工艺的研究表明，脉冲喷涂与传统连续喷涂相比， 喷涂时模具内的温度梯度大幅降低，热应力小，从而可以显著提高模 具寿命。 关键词：压铸铝合金，模具延寿，温度场，应力变形，疲劳裂纹， 压铸工艺，模具设计，有限元分析 a b s t r a c t a 1 一a l l o yd i ec a s t i n gi sw i d e l yu s e di np a r tf o r m i n gt e c h n o l o g y h o wt op r o l o n g t h ed i el i f ei si m p o r t a n tf o rd i ec a s t i n gt oa c h i e v eh i g hq u a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y o nt h eb a s eo ff e ma n a l y s i so fd i et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ， e x p e r i m e n t sa n dd i ec a s t i n g f a c t o r yi n v e s t i g a t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h ed i el i f e p r o l o n g i n gs y s t e m a t i c a l l y t h es t u d i e ss h o w e dt h a tt h es u r f a c eo fd i ec a s t i n gd i e sw e r ew o r k i n gi na t e m p e r a t u r er a n g ec o n s i s t e do fm a n ys u bt e m p e r a t u r er a n g e sa n dt h e r ew e r et h r e e m o m e n t si nw h i c ht h ed i es u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g e dg r e a t l y t h ee x i s t i n gw a t e r c o o l i n gp i p e so fd i e sp r o l o n g e dt h ed i el i f ef o rs h o r t i n gt h ed i e sd u r a t i o ni nh i g h t e m p e r a t u r e r e i t e r a t i v ed i el o c k i n gf o r c ea n dh e a t i n ga b r u p t l yd i s t o r t e dt h ed i ea n d i n d u c e dr e v e r s ed r a f t ，a n dt h ec o n s i d e r a t i o no ft h i sd e f o r m a t i o ni nd i ed e s i g n i n g c o u l da v o i dt h ed i es u r f a c ep o l i s h i n ge a r l i e r ，a n dt h e nt h ed i el i f ew a si m p r o v e d o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o n ，t h ef o r m i n go fd i es u r f a c ec r a c k sa n dt h e i r d i s t r i b u t i o n sa n dm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o r ef a i l u r ek i n d sa n dt h e i r m e c h a n i s mw e r ea l s os t u d i e d t h es t u d i e ss h o w e dt h a tt h e r ew e r em a i nt h r e ek i n d s o fc r a c k sa n dc o r ef a i l u r e sw e r em a i n l yc a u s e db yc o r eb e n d i n gd e f o r m a t i o n t h ed i s s o l v i n go fd i em a t e r i a la n dt h ec o a r s e n i n go fc a r b i d e si nt h ed i es t e e l d e b a s e dt h ed i el i f ei nd i ec a s t i n gp r o c e s s t h er u l eo fd i em a t e r i a ld i s s o l v i n ga n d t h ec a r b i d e sc o a r s e n i n gt h r o u g hd i f f u s i o nw e r es t u d i e dg r o u n d i n go ne x p e r i m e n t s a ne x p e r i e n t i a lr e l a t i o nw a sc o n c l u d e da m o n gt h ee f f e c t i v ed i el i f e ，f i n i s h e d p r o d u c tr a t i o a n dd i ec a s t i n gt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s ，a n dt h er e l a t i o nw a s l i f e d i e o c ( 1 + k ) “s o m em e t h o d sw h i c ht h e yw e r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm e a n s b u tb e n e f i tf o rt h ed i el i f ep r o l o n g i n gw e r ea l s op u tf o r w a r d t h es p r a y i n gt e c h n o l o g yw a sa l s os t u d i e d t h es t u d ys h o w e dt h a tt h ep u l s e s p r a y i n gd e c r e a s e dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h e r m a ls t r e s sg r e a t l yi n t h ed i e c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lc o n t i n u o u ss p r a y i n g ，a n di m p r o v e dt h e d i el i f eg r e a t l y k e y w o r d s ：d i e c a s t i n ga 1a l l o y ，d i e l i f e p r o l o n g i n g ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n f a t i g u ec r a c k s ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ，d i ec a s t i n gt e c h n o l o g y , d i ed e s i g n i n g ，f e ma n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 碱生躲蜱曰期：业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公猫( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蜱导师签名：j 逝一日期： 驻= 堂缝论 第一章绪论 1 1 选题意义 压力铸造超生产效率和机械化程度都比较高的接近净成形的一种热加工成形工艺，其 生产出来的铸件尺寸稳定精度高，可以进行连续大量生产，且可以采用一模多腔工艺， 大幅提高生产效率。同时铸件的力学性能也比砂型铸造、金属型铸造要高。压铸的实质是 在高压作用下，使液态或半固态金属以较高的速度充填压铸模具的型腔，并在压力作用下 凝固而获得铸件的方法 2 , 3 , 4 1 。常用的压铸合金有压铸黑色金属，铜台金，锌合金，锅合金， 镁合金等”1 。而铝合金是压铸中应用最为普遍的压铸合金，据统计，2 0 0 2 年我国铝合金占 总压铸台金重量的百分比为6 6 6 坤j 。现代工业的普通铝合金压铸中，熔融的铝台金液被冲 头高速高压地推入型腔，在内浇口处形成2 0 6 0 m s ，有时甚至高达10 0 m s 以上的高速 运动铝流。在0 0 1 o 2 秒内填充完毕后，于型腔中冷却5 3 0 s ，待形成具有一定强度的 铸件后开模jj 。取出铸件后，喷涂常温下的压铸脱模剂以防止粘模以及冷却型腔表面。随 后合模进入下个压铸循环。所生产的压铸件广泛应用于汽车和摩托车、家用电器、农林 机械、无线电、通讯、机床、造船、照相机、钟表、计算机、纺织器械、交通运输等行业。 单个压铸件的重量由几克到1 0 余公斤甚至达3 0 公斤pj 。随着一些新压铸方法的开发以及 高强度高韧性的高s i 耐磨压铸铝合金的开发，以及对于压铸件质量的更高要求，压铸机合 模力的增大，压铸件的大型薄壁复杂化，压铸模具将承受更大的机械力和更加强烈的热应力 作用 10 j 1 】。 1 9 1 4 年，压力铸造生产铝合金铸件开始投入商业化生产。二十世纪五十年代，压力铸 造开始在我国从航空仪表机电等行业首先推广，随后迅猛发展【1 2 , 13 j 4 。到2 0 世纪8 0 年代， 我国的压铸技术己达到相当水平pj ，己能白行设计和制造性能良好的压铸机，探讨和研制 压铸工艺参数测试技术与装置，研究压铸基础工艺参数对合金性能的影响，采用国外引进 的大型压铸机生产大型压铸件，并开始在压铸中应用计算机技术。2 0 0 0 年，我国压铸厂点 及相关企业约3 0 0 0 家，拥有压铸机8 0 0 0 余台，压铸职工逾5 万名【1 2 1 。截止到2 0 0 2 年， 我国的压铸生产设备1 2 0 0 0 余台，每年压铸机的销售量一般为1 2 0 0 l8 0 0 台 15 1 。压铸的 产量( 总的铸件吨位数) 也有逐年增加的趋势1 1 ”。 由于影响普通压铸件性能的最主要原因是在压铸生产过程中的裹气以及由于充型完 毕后铸件不容易补缩而导致的铸件气孔和疏松。围绕着提高压铸件性能和模具寿命的问题， 先后出现了各种先进的压铸技术，如挤压铸造、真空铸造、半固态铸造等。挤压铸造 ( e x t r u s i o nc a s t s q u e e z ec a s t i n g ) 是将合金以较低速度和较大流最平稳地挤入铸型，瞬时增 压，使合金精确复制铸型并在高压下凝固的一种铸造技术。它也叫液态模锻( 1 i q u i d f o r g i n g ) ， 所生产出来的铸件气孔少，机械性能比普通高压铸件要高，还可以进行t 4 、t 5 、t 6 或t 7 热处理【”】。真空压铸就是在金属液充型前及充型过程中，将型腔( 包括压室) 的气体抽空 或部分抽空的压铸技术。真空压铸的主要优点有铸件致密，气孔少，表面质量高，尺寸稳 定；压射时的比压可降低约4 0 ，模具寿命长 18 1 。半同态铸造是2 0 世纪7 0 年代初发展起 来的一种铸造技术，其基本原理是在液态金属凝固过程中，施以剧烈搅拌，破碎所形成的 基强盍堂擅土堂位监塞 树枝晶而形成近球形初生晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的半固态合金， 这种半固态合金在固相率达到6 0 时仍具有较好的流动性，然后采用压力铸造、挤压铸造、 连续铸造等实现金属的成形。半固态铸造所获得的铸件凝固收缩小，没有柱状晶和粗大树 枝晶，铸件力学性能高；同时充型温度低，所使用模具具有较长的寿命 1 9 1 。 中国压铸企业虽然发展迅速，但是企业素质不高，技术发展滞后于生产规模的扩大。 设备陈旧，技术老化，人才短缺，特别在高新技术方面存在很大的差距。市场竞争力较弱， 效益普遍不高垆j 。为了改变这种状况，一些企业积极地向国际标准靠拢，加强i s 0 9 0 0 0 以 及i s 0 1 4 0 0 0 的认证，注重人才的培训，压铸知识和技能的普及与提高，以促进企业素质 的全面提升。 从总体上看，我国是压铸大国之一，压铸件总吨位低于美国和日本，但是在生产效率 上不仅落后于美国和日本，而且也落后于印度这样的发展中国家。如果将技术，国产压铸 机品质和生产效益综合起来，我国压铸的综合系数设定为l 的话，则日本为1 7 5 德国为 1 7 5 ，美国为2 4 【6j 。 压铸模具是压铸工厂中占用资产比例较大的一项工装。模具型腔和一些大型芯的制造 和维修费用高1 2 0 。而且随着压铸技术的发展，单套模具的结构越来越复杂，自动化程度越 来越高，模具自重也将越来越重。在2 0 0 0 年4 月的第二届中国国际压铸展览会上，意大利 模具制造商k a r i b o 展出的晟大压铸模具重量达5 0 吨 2 1j 。 我国压铸模具的制造与设计基本上可以做到自给，但是跟国外先进国家相比，存在着 许多差距。一些新品件零件模具，尤其是大型、精密模具往往随着技术引进或进口大型压 铸机的同时订购。我国生产的压铸模具与国外相比，制造成本低，模具进厂价格便宜，但 是品质稳定性差，使用故障率高，返修多1 2 ”。 提高压铸模具寿命是压铸界所关注的中心课题之一 2 3j 。在我国，压铸模具的寿命比国 外先进水平一般要低2 3 倍。对于中等复杂模具，国外寿命可达8 1 2 万模次，国内普遍 只有5 - 1 0 万模次，个别差的还停留在2 3 万模次。而且制造周期长，摊薄到单个铸件的 模具成本高“。对于大批量生产而言，提高压铸模具寿命对丁：企业生产成本的降低，生产 效率以及企业竞争力的提高具有重要意义。鉴于普通高压铝合金铸造在我国仍然是一种最 主要压铸方法，本文的研究将主要围绕着提高其模具寿命进行。 1 2 压铸铝合金在压铸工业中的地位 加入世界贸易组织后，我国铸造业也将面临更开放的市场。事实证明，在科技迅速发 展的今天，“铸造”仍是最经济而且便捷的金属成形工艺【2 “。目前，世界上各工业国家由 _ 丁二在技术上不断创新，铸件产品构成发生了重要转变。主要表现在球墨铸铁件和铝合金铸 件的产量持续增长；镁合金的应用受到日益广泛的关注。在我国，铝合金铸件的产量仅占 铸件总产量6 左右。但是从我国压铸工业近3 年的产量来看，压铸锅台金的产量呈现持 续上升趋势，2 0 0 0 年4 9 2 万吨( 比1 9 9 9 年增长13 7 ) 、2 0 0 1 年增至5 5 8 万吨、2 0 0 2 年 再增至6 2 4 万吨。按历年的统计，其中6 4 左右的市场属于汽车工业。 铝的密度仅为铁、铜的1 3 左右，具有更高的比强度和比刚度。铝合金熔铸简单，成 形及切削加工性能良好，具有较高力学性能以及抗腐蚀性能。随着汽车工业的发展和冷室 压铸机的发明，压铸铝合金的应用得到了快速发展。到2 0 世纪8 0 年代，美国6 8 的铝合 金采用压铸生产1 2 5 1 。 2 目前，压铸铝合金系列及牌号较多，应用最早的是aj s i 二元共晶合金。厉来，为了 弥补其加工性能以及强度差的缺点，压铸工作者又相继开发了a 1w m g ，a i s i - c u ，a i s i m g ， a l - s i - c u - m g 及a l z n 等系列合金。其中，a 1 s i - c u 系列合金是压铸铝合金中应用最多的 系列【2 ”。表1 1 列出了国内外主要压铸铝合金以及某些高强度压铸合金的化学成分f 2 7 , 2 9 - 3 j 。 表1 1 国内外主要压铸铝合金化学成分【2 7 , 2 8 - 3 1 1 t a b l e1 1t h ec o m p o s i t i o no fm a i n l yu s e dd i ec a s t i n ga i a l l o y 2 7 2 8 。3 l 】 国剐殛 主要化学成分：w t 标准 牌号 s ic u g f ea t 其他元素 中国札1 0 2i 0 0 1 3 0 0 6 o 0 5 1 2余鼽： o 6 g b t札1 0 48 0 1 0 5 0 3 0 0 1 t 一0 3 0 1 0z n ： 0 3 1 5 1 1 6y l l l 27 5 - 9 5 3 0 4 0( o 3 0( 1 2 0 4 孔1 1 09 6 - 1 2 01 5 - 8 5( o 3 0 1 2 日本 a d c l 1 1 o 一1 3 o 1 0 o 3 0 1 3 余 丁i s h a d c a9 0 - 1 0 0 0 6 00 4 0 0 6 0 1 _ 0 5 8 0 2 a d c l 07 5 - 9 52 0 _ 4 0 o 3 0 1 3 8 2 a d c l 29 6 1 2 01 8 - 3 5 0 8 0 1 3 美国3 6 00 0 - 1 0 0( 0 6 00 4 0 一0 6 0 1 3 余 直s 曰匝3 8 07 5 - 9 50 0 - 4 0 o 。1 0 1 _ 3 8 5 8 2 3 8 39 5 1 1 5 2 3 一a 0 0 1 0 1 3 3 9 01 8 o - 1 8 o4 沪5 0 0 4 6 - 0 6 5 1 3 p b ：0 1 0 0 舄切削铝合金 1 0 0 - 1 3 00 5 1 50 4 0 7 1 2 余 b i ：0 1 - 0 3 高强度铝台金1 s i ：8 5c a ：3 5m c ：o 3 啦：0 3 5f e ：o 4t i ：0 2 施：o 2 余铝 s i ：7 5 - 9 5c u ：8 - 5 m g ：0 5 - 0 7 l l l n ：0 4 - 0 6t i ：0 1 5 0 2 5 高强度铝台金2 b ：o 0 0 0 0 5r e ：o 2 余铝 铝硅钛合金 s i ：8 1 0t i ：0 2 咫：0 2f e ：( 1 0 余铝 汽车工业离不开铸造，汽车工业带动铸造生产的发展，压铸件的主要市场也来自汽车 工业。以日本为例，灰铁件的5 0 9 ，球铁件的6 2 2 ，有色铸件的8 6 5 ，铝铸件的7 6 ， 压铸件的7 7 均为汽车铸件p “。压铸铝合金的密度低。强度高，在汽车工业中替代某些钢 铁零件的应用，无疑会降低汽车的自重。如果汽车自重减轻10 ，燃油经济性可提高约 5 5 。汽车轻量化的另一个措施是减薄各类零件的壁厚，铝合金优良的机械性能也可以满 足这方面要求。虽然在汽车的轻量化过程中，锅合金受到镁合金的强烈竞争，但是在某些 情况下，具有成熟和容易实现的工艺及优异性能的铝合金暂时无可替代。目前，镁台金压 铸件在压铸件的总重量中所占的比例不超过1 1 6j 。表l ，2 列出了我国19 9 5 年到2 0 0 2 年各 种压铸件产量的情况“。随着汽车向着轻量化和绿色化方向的进一步发展，汽车工业为压 铸铝合金铸件提供了一个广阔的市场 3 3 , 3 4 1 。 我国目前为世界第5 大汽车生产国。据国家统计局2 0 0 3 年6 月3 日发布的报告中提 到：“，汽车工业首次成为我国工业第五大支柱产业”。长期以来，汽车工业始终是压 铸工业的最大市场，我国汽车工业快速发展也将拉动我国压铸工业进入新的发展时期 3 5j 。 丕直盔堂擅堂位论奎 表1 21 9 9 5 2 0 0 2 年我国压铸件的产量情况( 单位：吨) f ”】 t a b l e1 2t h ep r o d u c t si nc h i n ao fd i e c a s t i n g sf r o m19 9 5t o2 0 0 2 ( u n i t ：t o n ) 【1 5 年份 1 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 总压铸件3 9 6 4 0 04 3 6 2 0 04 9 6 8 0 0 5 5 8 0 0 06 2 4 0 0 0 铝压铸件 1 9 4 】9 8 2 0 8 4 9 62 2 6 3 8 62 6 4 1 8 62 9 1 2 0 03 2 7 5 0 03 7 3 8 6 04 15 5 7 0 镁压铸件 15 6 2 1 9 3 42 1 2 12 9 8 83 4 3 64 1 2 4 4 4 7 04 9 5 0 压铸铝合金在其他产业也具有广阔的应用前景。目前铝合金压铸件正逐步扩大到其他 各个工业部门，如仪表工业，农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、医疗器械、钟 表、照相机和日用五金等几十个行业。在压铸技术方面又出现了真空压铸、加氧压铸、精 速密压铸以及可溶型芯的应用等新工艺。 为了改善压铸铝合金铸件的某些性能，可以进行人工时效处理以提高强韧性 3 6 , 3 7 或者 浸渗处理以提高压铸零件的耐气密性能( 3 8 1 ，而进一步拓宽其使用范围。 综上所述，压铸铝台金仍然是应用最为广泛，具有很大应用前景的一种压铸合金。 1 3 影响压铸模具寿命的因素 压铸机、压铸合金和压铸模具是压铸生产的三大要素。它们的选择以及各种与之相关 的压铸工艺参数设定再加上压铸脱模剂及其相关工艺参数的设定，是影响压铸模具寿命的 最主要因素。这些因素，可以采用如图1 1 所示的鱼刺图来加以表示。这些因素综合作用 的结果是使模具产生应力，在应力的作用下而使模具的寿命降低。造成压铸模具失效的因 素主要是热疲劳( 铝合金压铸模占6 0 7 0 【”，”1 ，铜合金压铸模占8 0 9 0 1 4 1 1 ) ，粘蚀， 熔蚀，变形，脆性开裂和塌陷等。 图1 1 影响压铸模具寿命的诸要素图解 f i g 1 1s c h e m a t i co ff a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed i el i f e 4 随着压铸技术的进步，压铸机的合模力越来越高。据报道，东芝机械公司和布勒公司 都已经能提供给压铸市场合模力为4 0 ，0 0 0 k n 的压铸机 4 2 】。巨大的合模力使得压铸模具的 受力情况越来越复杂，对模具设计以及模具材料的强度和刚度提出了更高的要求。压铸机 上一些压铸工艺参数的设定对于铸件成形，模具寿命，生产效率等有很大影响。 为了使得压铸铝合金具有某些更优异的性能，如耐磨，高强度高韧性，抗高温蠕变性 等，必须加入某些元素。这些元素的加入，有的提高了铝合金的熔点，使得模具不得不在 更高的温度下工作。有的使得铝合金液中存在高熔点的微细固相，在台金液充型的过程中 冲刷磨损型腔表面，因此模具的工作环境更加严酷。由于所使用的压铸合金不同，浇注充 型温度不同，模具将具有不同的寿命。 一般而言，对于给定的压铸企业，其所使用的压铸机以及压铸台金基本上是固定的， 对于模具寿命而言，是一种系统因素。事实上，模具的设计，制造，保养和维护对于模具 寿命具有重大的关系1 4 3 , 4 4 , 4 5 1 。模具设计前，必须设计铸件的结构，确定分型面以及型腔的 分割和型芯的设计，确定拔模斜度。实践表明，不同的模具设计，模具的寿命以及铸件的 成形性大不一样。模具的保养和维护，不仅要求在压铸生产过程中爱护模具，还要求在模 具下机后仔细清理好模具上的污物和杂物。在压铸生产前必须对模具进行预热，以及生产 中途停_ l = 时要对模具进行适当的保温，使用过程中要定期地进行去应力回火。模具高的制 造精度，合适的热处理工艺，以及合理的修复和维护措施可以大大地延长模具使用寿命。 在模具寿命的影响因素中，人的因素以及与之相关的一系列规章制度和操作规范不可 忽略。只有那些高素质的人再加上相对好的规章制度和操作规范，才能使模具发挥出最长 的使用寿命，最大限度地发挥压力铸造优质高效的特点。 1 4 模具材料及其处理对模具寿命的影响 1 4 1 模具材料的选择其热处理工艺 在铝合金压铸模具材料方面，我国压铸工作者曾经使用4 5 钢制造形状简单的小型压 铸模具，选用4 c r l 3 钢制造抗侵蚀作用的模具，而且也试用过用球墨铸铁制造压铸模具【4 “。 为了延长压铸模具的使用寿命，采用提高材质 4 7 , 4 8 1 ，优化热处理工艺 4 9 , 5 0 - 5 2 】，对模具钢进 行稀土软氮化处理p x ”1 等方法。我国目前主要使用压铸模具钢的国内外牌号有3 c r 2 w 8 v 、 4 c r 5 m o s i v l 、h 1 3 、s k d 6 1 及8 4 0 7 钢等。国外在2 0 世纪7 0 年代采用马氏体时效钢制作 铝合金压铸模具，其工作寿命为h 1 3 的1 0 倍。在第1 9 祸国际压铸会议及展览会上，许多 公司致力丁发展比h 1 3 钢更好的压铸模材料，推出了许多新钢种。 对于压铸铝合金，由于含w 系模具钢的导热性低，抗热疲劳裂纹能力差，因此在低于 6 0 0 使用h 13 钢具有相对较高模具寿命，而对于压铸铜合金，具有较高高温强度的 3 c r 2 w 8 v 具有相对较高使用寿命 s s l 。这两种钢的主要参数对比见表1 2 【5 6 ，5 7 ，5 ”。 c 含量的增高会增加钢的强度与耐磨性，降低延展性及韧性，降低热传导率，增加机 加工困难 s 9 】。对于模具钢，c 含量越高，其热裂倾向愈严重，热裂得愈早。c 含量( 质量 分数) 以不高于0 5 为宜。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 含量不多时可以增加钢中的c 含量而不显著降低其韧性1 6 0 】。 高w 、m o 含最使模具钢在高温f 具有较高的强度、硬度和抗回火稳定性。p 和s 在凝固 过程中形成磷化物和硫化物，并且在晶界沉淀而产生晶间脆性，所以其含量必须加以限制。 丕直太坐丝堂位j 幺塞 表i 2 两种主要压铸模具钢主要参数对比【5 6 , 5 7 , 5 8 t a b l e12t h ec o m p a r i s o no ft h et w ow i d e l yu s e dd i es t e e l s 【5 6 ，5 7 5 8 w t , ( g b t 1 2 9 9 - 2 0 0 0 ) 主要临界温度： 1 2 ( 近似) 比重 cs im nc rm owva c l a c 3a r la r 3m sm f 03 0 22 口75 0 0 j 0 3 c r 2 w g vs 0 4 0s o 加8 0 08 5 06 9 07 5 03 8 083 5 0 4 027 090 005 口 d3 2 口8 0 口2 口47 5 1 1 口口8 0 一 掰m o s i v i 8 6 09 1 57 7 58 1 53 4 02 1 57 7 6 0 4 512 005 055 017 51 2 0 除了要求化学成分适宜外，还要求晶粒度均匀，杂质少，等向性好，共晶碳化物及初 生碳化物的形态及分布台乎要求。钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性，引起应力集 中，使裂纹很容易产生和扩展，进而引起模具失效。它们还使钢产生各向异性，而且在加 工过程中夹杂物的脱落还会降低模具的表面粗糙度。 利用电渣重熔和真空自耗熔炼压铸模县钢，以及利用稀土变质压铸模具钢1 6 “，可以显 减弱使铸态h 1 3 钢的合金元素偏析现象，大幅度提高模具钢的冲击韧性。 热加工各环节对于提高压铸模具的寿命至关重要。压铸模具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。各种合金碳化物的显微硬度如表i 3 所示。另外， 为了延长压铸摸具的寿命，模具工作者还对压铸模进行预处理，稀土软氮化处理，p v d 、 c v d 、p a c v d 、t d 等表面强化热处理工艺。 表1 3 合金碳化物的显微硬度( h v ) 5 6 1 t a b l e1 3t h em i c r oh a r d n e s so f c a r b i d ea l l o y s ( h v ) m 。c m c m 23 c 6 1 6 0 0 - - 2 3 0 01 l5 0 17 6 0 1 0 0 0 1 8 0 0 模具钢在锻后必须进行球化退火处理，使之具有良好的机加工性能。对于大型钢坯锻 轧加工时，最好先缓慢加热到7 5 0 ，然后迅速加热到锻压温度以减少氧化和脱碳现象。 细匀化预处理与常规退火处理工艺相比，可以使钢中的碳化物细匀化，显著减少淬火回火 的变形最，延隆压铸模具的使用寿命1 6 ”。退火最好在可控气氛退火炉中进行以减少氧化脱 碳。h i3 退火后的组织为珠光体和6 1 2 的合金碳化物。退火温度一般在8 8 0 9 0 0 ， 保温时间为1 h 2 5 m m 。在模具初加工后，为了减少模具的淬火变形，必须要在不低于6 5 0 下进行至少2 h 的保温退火以消除应力。 h 1 3 含有约5 的c r 和一定数量的m o ，过泠奥氏体比较稳定，具有很高的淬透性。 淬火j i 亓可以得到细晶粒组织，保留少量过剩m 6 c 和m c 型合金碳化物和一定数量的残余奥 氏体。由于金属v 具有良好的抗过热敏感性，淬火硬度一般开始随淬火温度的提高而提高， 当温度升高到1 0 5 0 10 7 0 时，达到最大值，再提高淬火温度，硬度增加很少而晶粒开始 长大。在淬火冷却时，应以较快冷速冷至4 0 0 4 5 0 c ，以防止共析碳化物析出。 为了得到较好的综合性能和稳定的组织，h 1 3 钢一般采用2 次或3 次回火，并且随着 同火温度的升高，会出现二次硬化现象。二次硬化峰一般出现在5 5 0 左右。v 使析出更 多的m c 型弥散碳化物，它在6 2 0 6 3 0 c 回火时，仍能保持h r c 4 5 左右的硬度，具有较 6 好的抗回火稳定性。h 1 3 应避免在出现二次硬化峰温度范围内同火，而采取高于二次硬化 峰的温度回火。为了使一次回火过程中由残余奥氏体转变产生的马氏体充分回火，一般采 用二次或三次回火。对丁h 13 ，如果降低c r 含量提高其v 含量，使钢在回火时析出以v c 为主的高度弥散的碳化物，降低高温下不稳定的c r 的份额，可以提高其使用温度及高温性 能。有许多试验表明，1 1 0 0 淬火和6 2 0 回火具有相对高的热疲劳抗力”t “】。 对于3 c r 2 w 8 v 钢，由于w 的含量高，当回火温度高于6 0 0 时，其高温强度、硬度 等要高于h 1 3 。但由于c r 含量低，钢中m 6 c 型合金碳化物难以同溶到奥氏体中。因此采 用一般的淬火温度加热到1 0 5 0 - - 1 1 0 0 后，仅仅是m 2 3 c 6 型碳化物溶入奥氏体，奥氏体中 w 的浓度小于4 。为了使m 6 c 型碳化物溶入奥氏体中，则需要将淬火温度提高到1 2 0 0 。 通过高温淬火显著提高钢的高温强度、高温硬度和抗回火稳定性。但由于高温加热后造成 晶粒粗化，会显著降低钢的韧性、塑性和抗热疲劳性。 3 c r 2 w 8 v 退火组织一般为细粒状珠光体和一定数量的合金碳化物。合金碳化物含量一 般为1 0 15 ，碳化物的主要类型为m 6 c 、m 2 3 c 6 和m c 。退火硬度为h b 2 1 7 - 2 5 5 ，切削 性能稍筹。 3 c r 2 w 8 v 属于莱氏体钢，该钢淬透性不高，淬火冷却速度不足时在冷却过程中会析出 较多数量的碳化物，使淬火硬度下降。对于大型模具采用空气淬火，模具心部将出现贝氏 体组织。采用油淬可得到满意的组织和性能。对于汽车零部件的几副压铸模，董显明等采 用如图1 2 所示的真空淬火工艺，使模具具有较长的使用寿命【6 ”。 誊薹幽一 图1 23 c r 2 w 8 v 的真空淬火工艺1 6 5 f i g 1 2av a c u u mq u e n c ht e c h n o l o g yo f3 c r 2 w 8 v 【6 5 】 当在5 0 0 - 5 5 0 回火时，由于大量合金碳化物析出，具有强烈的二次硬化现象，能得 到较高的回火硬度，其硬度值可与淬火硬度相当。为了使第一次回火过程中残留奥氏体转 变产生的马氏体得到充分回火，一般采用二次或三次回火，以获得稳定的回火组织。对于 压铸模具钢回火温度的选择，必须遵循以下原则。即回火时第一次回火温度宁可稍低而不 可偏高。如第一次回火后硬度己达到规定要求，在第二次回火时应适当降低3 0 5 0 ，如 仍高，第二次可采用同样的温度但适当延长回火时间。 压铸模硬度的一般选择原则是：压铸锡、锌、铅合金用模具h r c 5 0 5 5 ，压铸铝、镁 合金用模具h r c 4 2 4 8 ，压铸铜合金用模具h r c 3 8 - 4 21 6 6 1 。杨凌平等对他们厂的模具制造 和使用情况的调研表明1 6 7 1 ，压铸模具的寿命与硬度有很大的关系。未经淬火的h 1 3 模具 ( h b 2 0 0 ) ，其寿命不超过1 5 万模次，而成功淬火后，模具硬度为h r c 4 0 一5 0 ( h b 4 0 0 5 0 0 ) 时，模具寿命为5 1 5 万模次甚至高达2 0 万模次。当硬度大于h r c 5 l ( h b 5 0 0 ) 时，模具易 产生裂纹，其寿命里下降趋势。他们的压铸模的寿命与硬度的关系如图1 3 所示。使用经 验也说明，对丁3 c r 2 w 8 v ，硬度为h r c4 2 4 6 ，对于h 13 ，硬度为h r c 4 4 4 8 的铝合金压 铸模具具有较长的使用寿命。 7 丕直盍堂煌坐位论奎 自 嗣 攫 似 酽胝 螂 黯 御l罗 垂拶 蓍 矿 1 0 0 翔o3 0 0 4 0 0 瑚6 0 07 0 0 禳兵碇魔( r m 图1 3 模具寿命与硬度的关系1 6 7 f i g 1 3t h ed i a g r a mo fd i el i f ea n dd i eh a r d n e s s 6 7 1 1 4 2 模具材料的表面热处理 为了防止模具表面粘附被压铸金属，并改善其耐冲蚀性能，提高压铸模具的使用寿命， 我们往往要对模具进行表面热处理。通过表面热处理，使压铸模具表层发生化学成分与组 织的变化，改善和提高钢件表层的性能i 6 。通常采用的有渗氮、渗铝、硫氮碳共渗、氮碳 共渗、软氮化、渗硫、渗硼等等。被渗入的元素与基材中的碳、铁及其他合金元素化合物 形成各种碳化物、氮化物或金属间化合物。这些化合物硬度很高，耐磨、耐蚀和抗氧化等 性能都很好，从而达到强化压铸模具表面的目的。表面层再往里往往还有以同溶强化为主 的扩散层，合金元素扩散到钢中，有的形成间隙固溶体，有的形成置换固溶体而使铁的晶 格发生畸变而实现固溶强化。在获得致密渗硼层后，压铸模具寿命可以提高2 - - 4 倍峥。 稀土软氮化可以改善模具的热疲劳性和耐冲蚀性。适量的稀土加入能明显加快共渗速 度，缩短共渗时间，提高渗层，特别是扩散层的硬度，使硬度梯度f 降，渗层组织致密， 过渡层中的碳化物和氯化物细小弥散。生产应用表明，该工艺处理压铸模，其使用寿命提 高2 3 倍 5 2 , 5 3 】。但是也有研究表明，对于3 c r 2 w 8 v ，软氮化及软氰化加发蓝对热疲劳抗 力会产生不利影响。 气相沉积法有物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 。它们使压铸模的表面上 沉积一层具有牢固冶金结合的高硬度、高耐磨及抗腐蚀的t i c 、c r n 、及t i c n 复台膜。但 是p v d 法在模具的表面强化应用上受到限制，目前只有离子电镀法应用于模具的表面强 化；c v d 法由于处理温度高，处理过程中会产生有毒和无毒物质，恶化操作环境，处理后 仍然需要进行淬火回火，并且还会产生变形，所以其应用也受到了限制j 。 另外t d 法( t o y o t ad i f f u s i o nc o a t i n gp r o c e s s ) 也是一种逐渐应用的压铸模具表面热 处理方法 7 2 1 。它也叫熔盐浸镀法。将放入耐热坩埚中的硼砂( 占7 0 - 9 0 ) 熔融后，将 欲涂覆哪种碳化物，即向硼砂浴中相应地加入哪种能形成碳化物的物质，例如涂覆v c 时 加入f e v 的合金粉末或v 2 05 粉末，将含碳的钢件浸入保持在8 0 0 1 2 0 0 的盐浴中保温 1 1 0 h ( 时间长短取决于处理温度和涂层厚度) ，便得到了仅由碳化物构成的表面涂覆层。 t d 处理过程中，c 、n b 、c r 等碳化物形成元素与碳结合，在压铸模表面形成了v c 、 n b c 、c r ，c ，等碳化物。但这里的碳并非由外部加入，而是在热处理温度下奥氏体或铁素体 中的圃溶碳。表面形成碳化物后，出现碳浓度梯度，随着涂覆过程的进行，碳不断向外扩 孽8 7 6 s 毒3 2 ；o k)_懈雌鞲 散，并使涂层加厚。所以熔盐浸镀法是一种利用扩散过程的表面硬化处理方法，覆膜的形 成机理与p v d 、c v d 不同。 最近发展了种p a c v d ( p l a s m a a s s i s t a n t c v d ) 方法来处理压铸模具表面，它在3 0 0 5 0 0 下对压铸模具进行表面强化而不发生变形，使复杂模具表面形成一层均匀的t i c 、 t i n 、t i c n 和t i b 2 等强化膜。在压铸铝合金生产中，可以减少脱模剂的使用量，减少水基 脱模剂对模具的热冲击，延k 模具寿命 7 3 , 7 4 , 7 5 。试验结果表明，t i n 沉积层有效地提高热 疲劳抗力，具有很好的熟疲劳稳定性1 7 6 。同时所形成的皮膜，阻滞了熔融铝液与模具钢的 反应，降低了铝液粘模倾向及由此而引发模具抛光的停机，网而将人幅提高模具寿命及减 少停机时间 7 7 , 7 8 , 7 9 。现在已经采用了w 2 c ( c v d ) 、t i c ( p a c v d ) 对模具的整个型腔进行 了皮膜处理。模具表面质量的改善，除了提高产品的同一性外，还提高了制造的可靠性， 降低停工时间，进而保护环境 8 0 1 。 单一的皮膜处理不能提高模具表面的抗裂纹性能 s 1 1 ，而且还有可能提高其裂纹的可能 性。复合皮膜处理应用于表面处理开始丁二十世纪八十年代，到九十年代才应用于模具处 理以提高模具寿命。合理的复合皮膜处理可以显著地降低模具钢涂层被铝液溶损及粘附的 倾向8 ”，提高模具表面的抗磨损性能【”1 ，从而提高模具寿命。因此，实际中往往采用复合 涂层处理。对于涂层性能优劣的评价，主要的指标有与基体的附着力的大小，热膨胀率与 模具钢基体的差异，硬度及耐氧化性能t 0j 。常见涂层的性质如表1 4 所示。在2 0 6 0 0 范围时，模具钢的热膨胀系数为1 3 2 x 1 0 。6 ( h 13 ) 及1 6 1x 1 0 6 ( h 2 1 ) 5 7 】。 表1 4 模具表面各涂层的物理性质【”1 t a b l e