浅谈铝合金压铸模

1、铝合金压铸模设计一前言铝合金以其低密度高强度越来越多得到广泛应用，经过对铝合金化学成分的组成与优化，铝合金的铸造成型工艺、热挤压加工工艺和人工时效等工艺，使铝合金的性能得到发挥，铝合金压铸类产品主要用于电子、汽车、电机、家电和一些通讯行业，一些高性能、高精度、高韧性的优质铝合金产品也被应用到大型飞机、船舶等技术要求比较高的行业中，但是其主要应用还是在一些机械零件中。铝合金压铸工艺较其他铝合金成型工艺有其自身的优势：压铸范围广；逐渐尺寸精度高、稳定性好；表面粗糙度低；生产率高；金属利用率高；铸件强度和表面硬度高等等。二服役条件铝合金压铸模属于热作模具。热作模具在工作时承受巨大的冲击力、压应力、张

2、应力、弯曲应力，模具型腔与高温（有时可达11501200）金属接触后，本身温度可达300400，局部高达500600。还经常受空气、油、水等的反复冷却，在时热时冷的苛刻条件下工作的模具，其型腔表面极易产生疲劳裂纹（即龟裂）。此外，炽热的金属在模具型腔中变形所产生的强烈摩擦，容易因摩擦而使精度降低，因而要求热作模具钢具有足够的热强行、热疲劳性、韧性、硬度和耐磨性、良好的导热性和耐蚀性，还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。三材料的选择根据被加工金属的种类、负荷大小、使用温度和成形速度等条件，提出不同的要求来选用不同的热作模具钢种。热作模具钢的（c）一般在0.30.6%，含碳量

3、过高时，钢的韧性和塑性下降，导热性较差；含碳量过低时，硬度和耐磨性达不到要求。热作模具钢中一般加入cr、mn、ni、si等元素以强化铁素体基体，提高钢的淬透性强度和韧性，ni还能改善热疲劳抗力，为了细化晶粒提高强度和硬度、回火稳定性，防止回火脆性，还加入ni、mo、v等元素。此外，ni、mo、v等元素在回火时以碳化物的形式析出产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍能保持较高的强度。一般把热作模具钢分为三类：（1）高韧性热作模具钢 5crmnmo、5crnimo、4cr5movsi(h11)等，适宜制作一般的锻造模具；（2）高热强钢 3cr2w8v、y4、y10、以及基体钢5cr4mo2w2s

4、iv等，宜用作热挤压模、压铸模等；（3）强韧兼备的热作模具钢 4cr5mov1si(h13)、hm3、4cr5w2siv等，宜用作热锻模、热挤压模、压铸模等、高速锻模。目前一般用作压铸模的钢种有h13钢、3cr2w8v钢，传统用钢是3cr2w8v钢。这类钢属于中耐热韧性模具钢，这类钢与低耐热高韧性热作模具钢相比主要特点是含有较多的cr、mo、v、w等碳化物形成元素以及含碳量较低，（c）一般为0.320.45。由于钢中含较多的cr元素，因而具有很好的淬透性，直径100mm的棒材在空气淬火的条件下可完全淬透，故被称为空冷硬化热作模具钢。在截面尺寸150mm时具有与5crnimo钢相近的韧性，而在工

5、作温度500600却具有更高的硬度、热强性和耐磨性。与4cr5mosiv相比，h13（4cr5mosiv1）的热强性和硬度更高，在中温条件下具有较高的热强度，热疲劳性能、高的韧性和一定的耐磨性；在较低的奥氏体化温度条件下进行空气淬火，热变形处理变形小，空冷淬火时产生氧化皮的倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。4cr5mosiv1钢，即美国钢号aisi-h13，也是日本钢号jis-skd61，是国际上广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢，进口设备上都配用h13钢制造的模具。h13钢有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，即使出现了热疲劳裂纹也细而且短，不容易扩展，因此用其制作的模具生产

6、的压铸件外观质量有很大的提高。模具在使用前无须预热，而且可以采用自来水喷冷，以抑制模具的升温，减轻了操作工人的劳动强度。该钢材同时具备较高的热强性，是一种强韧兼备的优质廉价钢种，既可用作热锻模材料，也可在模腔升温低于600的工况下用作压铸模材料。h13钢的化学成分（质量分数）如下：c：0.32%0.45%；si：0.80%1.20%；mn：0.20%0.50%；cr：4.75%5.50%； mo：1.10%1.7-5%；ni0.25%；v：0.80%1.20%；p0.03%；s0.03%。h13钢的物理性能、力学性能如下：线膨胀系数l：11.510-6/,(22500)；12.210-6/,(

7、22800)；热导率：28.4w/(mk) (800)；密度：7.8g/cm3 ,(20)；7.7g/cm3 ,(400)；临界点：ac1 860；ac3 915；ar1 775；ar3 815；ms 340。四模具的热处理工艺该铝合金压铸模的生产工艺流程图如下：下料 锻造 球化退火 粗加工 稳定处理 精加工 淬火 两次回火 钳修 打磨 渗碳或渗氮本文仅对模具的热处理工艺做详细研究，机加工工艺不做评述。1 锻造经下料后须锻造成毛坯件，而不是将原料直接进行机加工成毛坯件，一方面减少材料的损耗，节约材料：另一方面，经锻造后，钢发生塑性变形，晶胞拉伸，成形变胞，沿流线方向的抗拉强度大，有利于提高毛坯

8、件的强度。首先对型材进行加热，加热温度11001160，始锻温度10601150，以保证锻造过程中钢处于奥氏体状态，可塑性强，终锻温度800。2 球化退火加热保温时间和等温时间由模具材料、尺寸及加热设备类型而定，模具退火一般采用箱式炉，加热保温时间按照模具有效厚度计算，加热系数12minmm。原始组织的好坏对模具钢的韧性和冷热疲劳性能有很大的影响，为改善热作模具钢的强韧性配合，对于性能要求比较高的模具，可采用预调质处理或者采用淬火加高温回火或退火相结合的方法，以获得细小的珠光体和细小弥散分布的碳化物组织，为最终热处理提供很均匀的组织，从而使得最终热处理后能达到优良的强韧性配合。在等温球化退火工

9、艺的制定过程中，奥氏体化温度及等温转变温度十分重要。奥氏体化温度较高时，未溶碳化物数量较少，奥氏体晶粒较大，而且其中的碳含量的分布也比较均匀，因而有利于球化过程的进行。等温转变温度较低时，碳（及合金元素）在奥氏体中扩散较困难，也不利于球化过程的进行。只有当奥氏体温度较低，等温转变温度较高的处理规程下，才能得到球化组织。等温球化退火规范：首先毛坯入炉，随炉升温缓慢加热，加热至ac1+（2030），保温34h，经查表，h13钢的ac1为860，故升温加热至880890并保温34h；然后随炉缓冷至ar1-（2030）保温45h，经查表h13钢的ar1为775，故升温加热至745755并保温45h；然

10、后再随炉缓冷至550，空冷至室温。经硬度检测，硬度可达229hbw，共晶碳化物等级3级。如果钢中的原始组织网状碳化物较严重，则需要加热到略高于acm的温度，使碳化物网溶入奥氏体，然后再较快地冷却到ar1一下温度进行等温球化退火。经过球化退火，可使可切削性能大大提高；在淬火时，溶入奥氏体的碳化物较均匀；淬火开裂和淬火变形减轻；而韧性有所增加等等多方面有所改善。3 淬火热挤压模具钢的淬火工艺过程包括预热、解热、保温、冷却和均热。由于这类钢合金 元素含量较高，钢的导热性较差，所以在对钢进行加热时必须严格控制加热速度。1）预热在空气介质加热炉中加热时可以控制加热速度，使其以很缓慢的速度进行升温，在盐浴

11、炉中想控制其加热速度是很困难的，因此必须采取预热的方法。预热次数的多少取决于钢的成分和模具变形的要求：对于般要求变形不严格的模具，在不开裂的情况下预热次数可适当少些，但对于变形要求严格的模具必须多次预热。在较低的温度预热一般是在空气介质加热炉中进行的，两段预热的加热速度必须缓慢进行，一般3060/min。因为钢在这个温度范围处于弹性状态，内外温差所产生的热应力一旦超过弹性极限就会开裂。当钢的温度高于650开始转入塑性状态，当热应力达到一定数值时，钢将产生塑性变形，从而使内应力下降，因此此时加热速度可适当快些（80100/min），当然对于变形要求严格的模具来书，这一段时间的加热速度仍然不必过快

12、。综合以上因素考虑，对于该模具使用的h13钢选择550、850两个温度进行预热。2）淬火加热温度淬火加热温度取决于钢的成分和使用要求，对于同一种钢来说，当要求有较高的韧性时，往往采用较低的温度淬火；当要求较好的高温强度时，则采用较高的淬火温度。对于该模具选择淬火加热温度10201050，属于完全淬火，该加热温度使钢完全奥氏体化。淬火加热为了保证模具表面不脱碳，需采用脱氧保护良好的氯化钡盐浴炉中进行加热。3）淬火保温时间淬火保温时间应保证使钢的原始组织能够全部形成奥氏体，同时还必须保证碳化物能够充分溶解，设溶解后 含碳量和合金元素能够充分地扩散，从而达到奥氏体均匀化 。这样，保证热作模具刚具有较

13、好的高温性能，这一点非常重要。所以，一般热作模具钢的淬火保温时间较长，在盐浴炉中加热淬火保温时间系数一般是0.51min/mm，模具尺寸小，系数取上限。4）冷却冷却以大于钢临界冷速的冷却速度冷却到室温。中耐热韧性模具钢由于淬透性很高，一般可采用油冷或空冷，对于变形较小的模具也可采用在500600等温后空冷，冷却介质的选择必须考虑到对性能的要求，同时为使冷却时热应力尽量下，故尽可能地选择冷却能力较低的介质。对于该模具可选择油作为淬火介质。5）均热中耐热韧性模具钢的热应力较大，为防止开裂和变形，绝对不允许冷却到室温，一般冷到150180，均热后应立即回火，均热时间可按照0.6min/mm计算。淬火

14、后，钢获得马氏体组织，强度、硬度均有所提高，冷却后硬度为5760hrc。4 回火回火的目的就是使模具达到一定的硬度和韧性，并消除淬火应力。为保证在使用中的组织稳定性和内应力尽可能小，挥回火时间必须充分，一般回火时间可按3min/mm。但最少不低于2h。对于二次硬化热作模具钢，淬火后组织中存在一定量的残余奥氏体，第一次回火后，在冷却过程中，这些残余奥氏体基本上转变为相应的等温产物，这些产物较脆，往往会成为开裂的根源，故必须进行第二次回火，有时为了使用上的要求也可进行第三次回火。一般来说，第一次回火温度根据回火温度与硬度关系曲线的硬度要求而定，第二次回火温度比第一次低20，但是有些情况下第一次回火

15、温度也可采用较低的温度，然后根据第一次回火后的硬度来选择第二次的回火温度，以期达到所需硬度。对于该模具钢采取的是高温回火，第一次回火温度600，第二次可略低，取580。由于钢中含有一定量的cr、mn、ni，或者ni少量时cr、mn共存的条件下，高温回火（尤其是在500600之间进行时）极易出现比较严重的第二类回火脆性，应在回火后采用快速冷却的方式（油冷或水冷）以避免之。如果钢中的mo的含量适当提高，钢的回火脆性敏感性大大减小，高温回火后可以缓冷（空冷）。经两次高温回火后获得的组织是回火屈氏体，并且 残余奥氏体的含量极少可以忽略不计，钢回火后的性能大大提高，强度、硬度有所下降，塑性韧性较淬火后明

16、显提高。回火后硬度可达4749hrc。图1-1 模具的热处理工艺曲线5 表面处理模具经锻造、球化退火、机加工、淬火、两次回火后，其力学性能基本已达到要求，但是，一方面，由于模具在高温金属液流动的反复摩擦下会出现摩擦磨损，影响模具的精度，进而严重影响产品的表面光洁度以及产品的精度，所以在以上热处理基础上还需要对模具进行表面处理，尤其是型腔表面，需要提高其耐磨性，以保证模具在长时间使用下的表面精度；另一方面，高温的铝合金金属液在凝固后脱模时极易粘附在型腔表面造成铸件表面划伤，影响光洁度以及尺寸精度，为了防止铝合金铸件的粘附，不得不频繁涂抹涂料，使型腔表面温度降得过低，这对模具的热疲劳寿命和表面质量

17、均有不良影响，然而对表面进行处理可防止铝合金粘模。对模具常用的提高表面耐磨性的表面处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗等等。该模具采用的是碳氮共渗，使用低温碳氮共渗（软氮化）进行处理。低温碳氮共渗是在500700的温度区间对工件表面渗入碳氮原子的化学热处理工艺，可在气体、液体、固体介质中进行。渗层与渗氮时相近，而工艺周期较短。低温碳氮共渗的渗层深度常在0.5mm一下，其中外表面的化合物层为0.010.02mm，大部分是fe3（c、n）及fe4n，几乎没有脆性的fe2n。扩散层为fe4n及氮在相中的固溶体。碳氮共渗介质选用的是nh3、n2、co2氨基气氛为介质，进行低温气体碳氮共渗。介质成分为（nh3

18、）50%、（n2）45%、（co2）5%，选用井式炉进行碳氮共渗，介质的供给量约为每小时45倍炉膛体积。氨气的分解率为50%80%。共渗温度控制在570580，温度过高工件表面易出现疏松缺陷，共渗时间约为23小时。碳氮共渗后经检测工件的心部硬度约为4051hrc，表面硬度10001200hv，化合物深度约为68m，总渗层深度0.20.3mm。 图1-2 气体碳氮共渗工艺曲线五 常见缺陷及分析1 软点模具热处理过程中出现软点（即硬度不足的小区域），即造成表面模具的硬度不一致，直接影响到耐磨性与尺寸的稳定性，同时会造成其使用寿命的降低。产生软点的原因有以下几种：1) 原材料中存在带状组织或大块的铁

19、素体组织，或预热处理不当，在钢中保留了大量的大块铁素体；2) 加热温度不足或保温时间短，奥氏体成分不均匀，淬火组织为马氏体加部分铁素体；3) 模具表面热处理前局部脱碳、存在氧化皮或锈斑、附着有脏物等等；4) 冷却介质选择不当，局部冷速过低发生珠光体转变。可采用以下方法予以消除补救:1) 合理选材，对缺陷材料进行预热处理消除缺陷；2) 正确选择加热温度和保温时间，确保成分的均匀化；3) 选择合适的冷却介质，淬火时要分散冷却，防止其内外冷却不均匀，严格控制冷却介质的温度；4) 重新淬火，但应正火、退火或高温回火处理后方可进行，对于有组织缺陷的模具进行预先处理。2 淬火裂纹淬火裂纹出现在淬火后期或冷

20、却后，由于零件内部的内外存在温差，引起了不均匀的胀缩产生的热应力和组织变化产生的组织应力的综合作用，当拉应力超过材料的强度极限时产生脆性断裂。产生淬火裂纹的原因有以下几种：1) 原材料内存在裂纹，碳化物偏析严重，网状或带状堆积等；2) 锻造或轧制不当，出现缩孔、夹层、白点等；3) 加热温度过高，保温时间过长，引起组织过热，晶粒粗大；4) 冷却过于剧烈，冷却介质选择不当；5) 淬火后未及时回火。可采用以下措施防止和补救：1) 严格控制淬火温度和保温时间，减缓冷却速度；2) 如过开裂可重新淬火，淬火前进行退火或正火处理；3) 淬火后立即进行回火处理；4) 模具进行机加工后先进行去应力退火，消除内应

21、力后再淬火。3 硬度不合格硬度作为最常用的检验模具热处理质量的指标，模具热处理后硬度不合格是十分严重的缺陷，硬度不合格主要表现在硬度不足或软点等，淬火回火的模具不仅仅要控制回火后的硬度，也应测定淬火后硬度。常见的硬度不足产生的原因有以下几种：1) 钢材原始组织中碳化物偏析严重；2) 锻造工艺不良，球化退火组织不均匀；3) 加热温度低，保温时间短，模具相变不完全，冷却速度过慢；4) 加热温度过高，保温时间过长，增加了奥氏体的稳定性，淬火后保留了大量残余奥氏体；5) 回火温度过高或回火不充分。可采用以下措施防止和补救：1） 进行合理的锻造工艺，并进行球化退火，确保获得良好的预热组织；2） 热处理前

22、去除氧化皮及锈斑；3） 选用适当的冷却介质进行冷却；4） 严格控制回火规范，控制回火温度和保温时间；5） 重新淬火前应先进行正火或退火处理。4 表面腐蚀模具在盐浴炉中加热，由于盐浴中氧化物的腐蚀，模具的表面质量较差，另外空气加热中的氧化、脱碳等也会对模具表面产生腐蚀，这将严重的影响模具的表面硬度和使用性能，明显降低模具的服役周期。为了避免发生表面的腐蚀现象，可对模具采取以下措施：1） 严格控制脱氧，确保模具与夹具的表面无氧化皮，以避免向盐浴中带入氧化物造成模具的腐蚀；2） 可采用可控气氛或保护气氛进行加热，条件许可也可采用真空炉进行热处理，效果会更好；3） 模具热处理后及时清洗掉油污及氧化皮，

23、及时回火处理，必要时用布将模具毛坯擦拭干净。5 变形或畸变热处理变形是造成精密模具报废的主要原因之一。造成模具热处理变形的原因可以从材料的选用、模具结构的设计、模具的制造及残余应力、热处理工艺等几个方面进行考虑。本文将对热处理工艺对模具变形的影响作详细的论述。模具的热处理的目的是获得要求的组织与性能，其主要的工艺参数包括加热速度，加热温度，冷却介质与冷却方式等，他们对模具的热处理变形有重要影响，现分别分析如下：1） 加热速度模具热处理后变形，特别是对复杂的模具而言，与加工工艺的正确与否有关，模具变形的原因在于任何金属加热过程中均要膨胀，模具内外温度不均匀必会造成模具各部分膨胀不一致。在钢的相变

24、点温度以下加热时，不均匀加热主要产生热应力；超过相变点温度，不均匀加热还会有由于相变不等时性产生的组织应力。可见模具的加热速度越大，模具表面与心部的温差越大，模具的自身应力越大，热处理变形将明显增大。对此可将模具在相变点温度以下进行预热，以减小模具在加热过程中的内外温差，从而降低模具的自身应力，降低变形的可能性；另外，对模具进行缓慢加热也可避免模具的变形。2） 加热温度为达到模具具有要求的硬度，往往认为提高模具的淬火加热温度是必须的，然而事实上，这种认识是片面的，对于较复杂的模具而言，同样是在正常的加热温度范围进行淬火，选用工艺规定的上限温度加热后的热处理比允许的下线温度，其热处理后的变形明显

25、增大。模具淬火变形的原因众所周知，淬火温度越高，钢的晶粒趋向长大，由于较大的晶粒能使钢的淬透性增大，但也造成淬火冷却时产生的应力增大。另外复杂模具大多采用高合金钢制造，淬火温度提高后，其ms点较低（一般是250以下），淬火后的组织中残留有较多的残余奥氏体，将增大模具热处理后的变形。在保证模具技术要求的条件下，控制加热温度的措施为：1、选用合理的加热温度；2、选用工艺规定的下限加热温度，以减少冷却时的应力；3、采用阶段加热，以控制钢的晶粒度。3） 冷却介质和冷却方法的影响模具的淬火冷却介质和冷却方法对于模具的变形有直接的影响。当模具冷却至ms点以下时发生组织转变，此时除因冷却不一致造成的热应力外

26、还有因相变不一致性造成的组织应力，冷却速度越大，冷却越不均匀，淬火应力越大，变形因而增大，对于该模具可采用等温淬火的工艺处理以避免模具的变形。6 过热、过烧过热主要是由于 加热温度过高，出现过热组织，如晶粒粗大、马氏体粗大、残余奥氏体过多、魏氏组织、铁素体过多等等。产生过热的原因主要有原材料组织结构以及热处理规范等以下几个方面：1） 模具的原材料组织不良，如锻造退火后的球化退火组织不合格或者碳化物偏析、有网状碳化物等等；2） 加热时加热温度过高或者保温时间过长而造成晶粒急剧长大；3） 模具在热处理设备中放置不当，模具过于接近加热元件，造成局部升温过高。对于过热现象可以通过控制加热温度、保温时间，降低加热速度，或多次正火或退火来细化晶粒，为重新热处理作组织准备。过烧是一种严重的热处理缺陷。其特征是材料表面上呈龟状裂纹，严重时裂纹处存在黑色的氧化物，金相分析时可见粗大的网络分布的裂纹，这类缺陷还伴随着晶