（材料加工工程专业论文）提高压铸模用钢h13使用寿命的研究.pdf

山东大学顾七论文 摘要 在我国，h 1 3 钢主要被用做铝合金压铸模材料，铝合金压铸模的主要失效 形式是热熔损失效和热疲劳裂纹，因此 1 1 3 钢的寿命取决于两个因素，即是否 发生粘模和型腔表面是否出现龟裂。 为了研究压铸模与铝合金的相互作用，探讨硅对压铸模与铝铸件粘膜倾向 性的影响，进行了热浸铝试验电子探针分析结果表明，s i 降低了a l 在f e s i a l 三元相层中的活度，抑制了a l 原子向钢基体中的扩散，减弱了铝合金熔体 与压铸模用钢h 1 3 问的相互作用，从而提高了模具钢抗热熔损的性能。 为了研究压铸模与铝合金金属问化合物的形成与分解，进行了各种条件下 的热浸铝试验，试验结果表明，压铸模与铝合金金属间化合物的形成与分解是 一个连续不断的循环过程金属间化合物形成与分解问的相互关系导致了模具 基体产生失重 在压铸模用钢h 1 3 中添加不同含量的s i 。对试样分别进行h s v m 、d s c 分 析及力学性能测试结果表明，随着s i 含量的增加，h 1 3 钢中铸态碳化物趋于 断网，而奥氏体晶粒急剧长大。钢的强度和韧性下降在添加s i 的基础上进行 k n a 、m o 复合变质处理，有效的消除了s i 的副作用，优化了h 1 3 钢的组织及 力学性能。钾、钠具有很强的脱氧、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同时钾、钠能够提高碳的 活度，促进碳从基体的析出，提高了碳化物中碳的含量，在总含碳量降低的情 况下，相应的提高了碳化物的含量，基体的含碳量降低，也就提高了钢的韧 性钼的作用主要表现在形成了不易熔于奥氏体的加强型碳化物，阻碍了奥氏 体晶粒的长大当s i 的加入量为0 5 左右，并进行k n a 、m o 复合变质处理 时，h 1 3 钢的组织及力学性能较好 研究了淬火温度对s i 及k n a 、m o 复合变质h 1 3 钢性能的影响。试验结果 表明，淬火温度提高可使s i 及k n a 、m o 复合变质h 1 3 钢的抗热疲劳性能增 强，有利于延长h 1 3 钢热作模具的使用寿命 关键词：压铸模用钢h 1 3 ，热熔损。热疲劳，s i 及k n a 、m o 复合变质，淬火 山东大学顽十论文 a b s t r a c t i no b rc o u n t r y , h 1 3d i es t e e li sw i d e l yu s e da sa la l l o yd i em a t e r i a la n dt w oo f t h em a j o rr e a s o n sf o rd i ef a i l u r ea r es o l d e r i n ga n dt h e r m a lf a t i g u e t h e r e f o r e ，t h et w o k e yf a c t o r s ，s o l d e r i n ga n dt h e r m a lf a t i g u e ，d e c i d et h es e r v i c el i f eo fh 1 3d i ec a s t i n g d i e t h ee x p e r i m e n to fh o td i pa l u m i n i z i n gh a db e e nc a r r i e do u ti no r d e rt os t u d yt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nd i ec a s t i n gd i ea n da l u m i n u ma l l o ya sw e l la sh o ws ia f f e c t st h e s o l d e r i n gt e n d e n c yi nd i ea n da l u m i n u ma l l o yc a s t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ee x i s t e n c eo f s id e c r e a s e st h ea c t i v i t yc o e f f i c i e n to f a li nt h ep h a s eo f f e s i - a i a n dp r e v e n t sa l u m i n u ma t o m sf r o mm o v i n gm o l t e na it ot h es t e e ls u b s t r a t e a sa r e s u l t ，s ir e d u c e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd i es t e e la n dm o l t e n 。a l u m i n u ma l l o ya n d t h e ne f f e c t i v e l yi m p e d e st h es o l d e r i n gt e n d e n c yo f a l u m i n u md i ec a s t i n g t h ee x p e r i m e n to fh o td i pa l u m i n i z i n gh a db e e nd o n ei no r d e rt os t u d yt h e f o r m a t i o na n dd i s s o l u t i o no ft h ei n t e r m e t a l l i cl a y e rb e t w e e nd i ec a s t i n gd i ea n d a l u m i n u ma l l o y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h ef o r m a t i o na n dd i s s o l u t i o no f i n t e r m e t a l l i cp h a s e si sac y c l i cp r o c e s s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r m a t i o na n d d i s s o l u t i o no fi n t e r m e t a l l i cl a y e rr e s u l t si nw e i g h tl o s sa n dv o l u m e t r i cl o s so ft h ed i e s t e e ls u b s t r a t e t h ee x p e r i m e n to fh s v m ，d s ca n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e sh a db e e np e r f o r m e d t o s t u d yt h ee f f e c to fd i f f e r e n ts ia d d i t i o no nt h ea n t i - t h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo fh 1 3 s t e e l t h er e s u l t st e l ln st h a tt h en e to fc a s t i n gc a r b i d et e n d st ob eb r o k e nu p ，t h ey g r a i ng r o w su pa n ds t r e n g t hd e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs ia d d i t i o n t h ei ( n a ，m o m u l t i p l em o d i f i c a t i o nc a l le l i m i n a t et h es i d ee f f e c to fs io b v i o u s l y a n dt h eh i3s t e e l h a sg o o dm e c h a n i c sp r o p e r t yw i t ht h eo 5 s ia d d i t i o na n dm o d i f i c a t i o nb yk n a , m o t h ei n f l u e n c eo f q u e n c h i n gt e m p e r a t u r eo nt h ep r o p e r t i e so f h l 3s t e e lt r a n s f o r m e d b ys ia n dk n a ，m oh a da l s ob e e ns t u d i e d t h et h e r m a lf a t i g u ep r o p e r t yo ft h i ss t e e l i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e i ti sv e r yu s e f u lt op r o l o n gt h e 山东人学坝f + 论文 s e r v i c el i f eo f h o t - w o r k i n gd i em a d eo f i l l 3s t e e lt r a i l s f o r m e db ys ia n dk n a , m o k e yw o r d s ：h 1 3d i ec a s t i n gd i e ，s o l d e r i n g ，t h e r m a lf a t i g u e ，s ia n dk n a , m om u l t i p l e m o d i f i c a t i o n ，q u e n c h i n g i 原创往声明 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。对本文的研究馋出重要贡 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：灸亟龟日期：垒! ! 乏缒 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，闻意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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：监导师签名：聿扭竿一匿 期； 2 - 手3 j 挖 山东大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 压铸模用钢h 1 3 作为一种很重要的热作模具钢，自从问世以来，一直得到 人们的广泛应用。尽管后来又不断有新的钢种问世，在我国h 1 3 钢仍然占有不 可替代的地位。我国每年消耗l o 万吨以上按每吨2 万元计算，价值在2 0 亿元 以上，具有广阔的市场前景。 h 1 3 钢是常用于制造铝合金压铸模具的材料f i l ，铝合金压铸模的服役条件 较为苛刻，铝合金熔液的温度通常在6 7 0 7 3 0 之间，以4 0 1 8 0 m s 的速度 压入模腔，此压力大约为2 0 1 2 0 m p a ，保压时间5 2 0 s 。每次压射间隔时间大 约为2 0 7 5 s 。模腔表面受到高温高速铝液的反复冲刷，产生较大应力目 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铝合金的熔损 粘蚀作用成为模具失效的另一主要形式2 埘因此。用作铝合金压铸模的h 1 3 钢 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，一方面在铝合金的压铸过程中，由于铝原子在渗层中的快速扩散，使得模 具的粘模倾向性增加，热熔损性能下降；另一方面在压铸模用钢h 1 3 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品界脆化严重，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、体积庞大或者构造复杂的零件，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h 1 3 模具钢的碳化物难以消除，粘模倾向性较大，模具钢 在铸念下基本上不能使用尽管有少数研究者对h 1 3 钢采用变质，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 山东夫学硕i ：论文 工作，但还不够深入，远未达到实用化的程度。因此，采用复合变质减轻h 1 3 钢凝固过程中合金元素的偏析，改善铸态h 1 3 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h 1 3 钢的变质理论，减轻h 1 3 钢的锻造负担。提 高h 1 3 钢的抗热疲劳热熔损性能。增加h 1 3 钢的使用寿命，都具有重大的理 论意义和实际应用价值 i 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、s n - r 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 2 1 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。从热疲劳试验结果分析f 9 1 铝压铸模具的热疲劳裂纹中存在疲劳辉 纹，并以弹性应变为主，而且多数模具的使用寿命在1 0 4 , 1 0 5 次以上，具有高周 疲劳的特性。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交， 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， 山东大学硕士论文 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 1 2 1 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铝合金以高速注 入型腔，造成型腔表面的机械磨蚀，同时金属铝与模具材料生成脆性的铁铝化 合物，成为热裂纹新的萌生源此外铝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【1 0 1 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 r a 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 表i i 早期常川热作模几钢化学成分l o i t a b l e l i t h ec o m p o s i t i o no f e a r l yc a s t i n gd i es t e e l 钢号 元素含耸 cc f m ow vs i 其他 5 c r n i m o 0 5 0 60 5 o 8o 1 5 - 0 3 0 1 4 1 6 n i 5 c r m n m o 0 5 - 0 6o 6 - 0 90 1 5 - 0 3 0i 2 i 6 m n 3 c r 2 w 8 v0 3 0 42 2 2 70 1 5 - 0 3 07 5 9 0o 2 o 5 山东大学硕士论文 1 2 2 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 s v 有更高热疲劳性能要求的热挤模、热冲模和压铸模。 表i - 2h 系列热作模具钢化学成分【1 0 1 t a b l e l - 2t h ec o m p o s i t i o no f hs 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 0wvs i其他 h l o0 3 5 - 0 4 53 3 7 52 0 - 3 0 0 2 5 o 7 50 8 - i 2 h l lo 3 3 o 4 34 7 5 5 51 i - i 6o 3 0 o 6 00 8 1 2 h 1 2o 3 铷4 54 7 孓5 5f 6 - 2 4o 6 - 1 o 0 s 1 2 h 1 3 o 3 2 - o 4 54 。7 5 - 5 。51 1 - l - 7o 8 0 - 1 2 0o 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。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 i 3 钢j 1 2 2 2q 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【1 0 1 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 c 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 o s o m 和q r 0 9 0 s u p r e m e 压铸模具钢1 1 0 1 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 山东人学碗t 论文 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【1 0 j t a b l e l - 3t h e c o m p o s i t i o no f q r o s e r i e sc a s t i n gd i es t e e l 钢号元素含量， c c rm 0wvs i 其他 q r 0 4 5 0 332 30 9 5o 7 52 8 c o q r o s 0 0 4 2 62 o1 20 3 5 q r 0 9 0 s u p r e m e0 4 2 62 2 50 90 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 c 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 1 2 2 3c r - n 二次硬化钢 h i 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【l l j 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 力次 表i - 4 美国c r - n 热作模凡钢化学成分l t a b l e l - 4t h ec o m p o s i t i o no f c r nc a s t i n gd i e 1 2 2 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【1 2 - 1 s h m i ( 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 1 2 1 3 6 1 。h m i 钢 山东犬学硕士论文 获国家发明奖，在h i o ( 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【旺3 】含有较高的钨和少量的钛和铌，具有最高的热强 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 钢1 1 5 m 】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l 的w y 4 钢【 擂】的成分与q r 0 9 0 s u p r e m e 钢的成 分不同之处在于加入了少量的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 能增加二次硬化峰值的 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 3 - 1 5 1 ( s 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 、a l 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【1 3 1 5 , 1 们。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【2 + 8 】 t a b l e i - 5t h ec o m p o s i t i o no f h 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 ow vs i 其他 h m l 0 3 2 - 0 4 22 8 - 3 32 5 3 0i 2 1 80 8 i 2 h m 3o 2 0 2 82 6 3 22 7 3 2 o 6 - 0 80 0 8 - o 1 5 n b g r0 3 7 o 4 72 5 3 52 o - 3 o3 5 - 4 51 0 1 4o 1 o 2 7 0 1 o 2 n b h d 20 3 5 - o 4 52 5 3 oi 8 2 2 i o 1 40 1 4 0 2 2 t m0 42 82 11 o 1 o0 41 o m n y 40 42 82 1i o0 4 i o m n q 1 2 a 0 4 7 - 0 5 73 8 4 32 8 3 30 9 1 2 0 8 1 10 3 - o 7 a l c g 2 山东大学硕士论文 1 3 压铸模用钢h 1 3 的生产现状 h 1 3 钒是常用于制造铝合金压铸模具的材料。在现代工业中得到广泛应 用模具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 肖8 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h 1 3 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 3 1 1 硬度和红硬性( 熟稳定性) 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1 1 9 j ，如热作模具硬度一般在h r c 6 0 以上，而热作模具硬度可适当降 低，一般在h r c 4 2 - 5 0 范围内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 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 1 3 i2 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、洞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 - j - 1 2 0 i 山东大学硕上论文 1 3 1 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【副1 1 3 2 模具钢在工艺性能上主要应考虑的因素 1 3 2 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部是含有 多种合会元素，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 1 3 2 2 熟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。 j 3 2 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。 1 3 2 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 山东人学硕i 论文 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 1 3 3 国内存在的问题及原因 据调查，我国和发达国家的压铸模用钢h 1 3 的成分和热处理工艺差别不 大，而使用寿命却相差几倍甚至几十倍，其主要原因之一是因为碳化物分布的 不均匀【2 i 】大量试验研究表明，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h 1 3 钢是常用于制造铝合金压铸模具的材料，铝合金压铸模的服 役条件较为苛刻。铝合金熔液的温度通常在6 7 0 7 3 0 c 之间以4 0 l s 0 m s 的速度压入模腔，此压力大约为2 0 1 2 0 m p a ，保压时间5 2 0 s ，每次压射间隔 时问大约为2 0 7 5 s 模腔表面受到高温高速铝液的反复冲刷，产生较大应 力随着模具寿命的提高，模具受液态铝合金的熔损粘蚀作用将成为模具失效 的主要形式因此，铝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法 1 3 4 1 表面强化处理 ， 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 2 j 1 3 4 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。r 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2 3 i 1 3 4 3 离子注入 在真空中加速离子轰市i ：1 1 注入表面 9 山东大学硕十论文 1 3 4 4 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 ( 2 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 c 超低温处理后，残余奥氏体量为1 5 3 o 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 4 】 1 3 s 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 3 s 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 1 3 s 2 采用热处理新工艺 对h 1 3 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 1 3 s 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 r - 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。 1 3 5 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 类技术可显著减少钢中气体和非金属央杂物，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 i o 山东大学硕士论文 1 4 压铸模用钢h 1 3 的研究现状 1 4 1 压铸模用钢h 1 3 的合金元素跚 1 4 1 1 碳含量的影响 图1 - l 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 董 西 嵌古嘶 图1 i 碳含鼙对新型铸造压铸模贝钢硬度的影响 f i g l le f f to f c o nh 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 山东大学硕t 论立 童 西 嚣 量 奠音量- t 图1 2 碳含鼍对新酗铸造压铸模具钢冲击韧性的影响 f i g l - 2e f f e c to f c o 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 - 盏 翱 嚣 曩古量w m 图! - 3 碳含量对新型铸造压铸模具钢抗拉强度的影响 f i g l - 3e f f e c to f c o nr e s i s t - d r a wi n t e n s i o no f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 淬火钢的性能主要决定于含碳量，即主要决定于c 在。固溶体中的过饱和 度。碳含量高，则碳在在a 固溶体中的过饱和度就高，钢的硬度和强度就高。 另外，出于压铸模具钢中含有大量的c r ，m o 、v 、t i 、n b 等合金元素， 这些合金元素与碳原子具有较强的亲和力，容易在高温回火时析出硬度较高的 碳化物，产生沉淀强化 文献【2 6 】提出了c r 概念，c r 指的是形成v 4 c 3 、n b c 和t i c 后剩下的碳， 山东大学碗0 论文 当钢中其它元素含量一定时，c r 是一个独立的变量，决定于碳含量的变化 v 、t i 、n b 是该钢中最强的碳化物形成元素，为了减少v 、t i 、n b 进入基体的 数量必须要有一定的c r 。但是c r 不能太多，否则形成的碳化物就多，不仅 削弱了c r 、m o 等对基体的固溶强化，而且降低所形成的碳化物的稳定性，使 钢急剧脆化，韧性下降。较多的含碳量可以提高钢的m s 点，得到数量较多的 板条马氏体，板条马氏体具有较好的综合性能，既有高的强度韧性，又有良 好的抗氧化性、抗热疲劳性能，在工程上有广泛的应用价值 2 7 - 2 9 1 1 4 1 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 圈1 - 4 铬含量对新型铸造压铸模贝钢硬度的影响 f i 9 1 - 4e f f e c t o f c r o n h a r d n e s s o f f l e w f a s h i o n e dc a s t i n g d i es t e e l 山东大学颈t ：论文 幽卜5 铬含量对新型铸造压铸模凡钢冲击韧性的影响 f i g l - 5e f f e c to f c ro 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 由于铬容易溶入难熔化合物，削弱其中的原子问结合力，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。 1 4 1 3 钼含量的影响 图1 - 6 和图1 7 分别为m o 含量对硬度和冲击韧性的影响。由图可知，m o 含量对硬度影响的总趋势是随着含量的增加而增加的，这是出于随着m o 含量 的增加，大量的m o 固溶于基体中，对基体起强化作用同时形成弥散细小的 碳化物，在基体中均匀分布，促进二次硬化，硬度值上升但是当m o 含量增 加到2 5 以上时，钢的硬度反而降低这可能是因为m o 元素始中强碳化物形 成元素，与碳元素具有较强的亲和力，形成了碳化物，在低碳时容易夺去基体 中的碳而使基体变软，硬度下降。由于大量的m o 碳化物使钢变脆，所以冲击 韧性随着m o 含量的增加而递减。 山东大学硕士论文 董 叠 雎 音量喘 图i - 6 铝含量对新型铸造压铸模具钢硬度的影响 f i g l - 6e f f e c to f m oo nh 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 逞 萱a 雹 量 m o 音量- 嘲 幽卜7 钼含量对新型铸造压铸摸几钢冲击韧性的影响 f i g l 7e f f e c to f m o0 1 1i m p a c tt o u g h f l e s $ o f n e wf a s h i o n e dc a s t i n gd i e s t e e l 1 4 1 4 钒含量的影响 图1 8 和图卜9 分别为m o 含量对硬度和冲击韧性的影响由图可知，随着 v 含量的增加，新型压铸模具钢的硬度增加，而冲击韧性下降 山东大学硕士论文 u 董 - 鸽 警 v 古卅* 图i - 8 钒含量对新型铸造压铸模具钢硬度的影响 f i g l - 8 e f f e c t o f v o nh a r d n e s s o f n e w f a s h i o n e dc a s t i n g d i es t e e l 童 曲 嚣 党 v 音量，州 图i - 9 钒含譬对新玳铸造压铸模具钢冲击韧性的影响 f i 9 1 - 9e f f e c to f v o ni m p a c tt o u g h n e s so f n e w f a s h i o n e dc a s t i n gd i es t e e l 1 4 2 铸态压铸模用钢h 1 3 的凝固过程和凝固组织 铸态h 1 3 钢有明显的晶内偏析，也就是在每一个晶粒的中心部分较晶粒的 外面部分的碳和铬含量低得多围绕每一个晶粒是奥氏体和碳化物的共析混合 物，所以这类钢的凝固组织和高速钢非常相似。由于h 1 3 钢是含有较多合会元 素的高合金钢，因此很难用种二元相图精确的表示摸具钢的凝固过程，可以 把c r 、m o 、v 等合金元素作为c r 的等效元素。那么它的凝固过程可以用f e m c 三元相图加以近似的描述，其中m 代表m o ，c r ，v 等合余元素。铬是缩 1 6 山东大学碘f 论文 小铁碳平衡相图中y 区的合金元素，并使s 点和e 点向左移，m o 、v 也有类 似的作用 h 1 3 钢常用的碳含量为0 3 5 左右，所以凝固过程和高速钢的不同，它在 凝固一开始时，首先析出的是奥氏体，温度继续降低则析出碳化物，h 1 3 钢的 凝固组织包