材料保护技术—铝合金压铸模的延寿策略

1、扌商要：铝合金压铸模在生产中，模具的寿命最关键。本文介绍了国内铝合金压铸模的情况、性能要求、失效形式和机理;并且从模具设计、模具材料的选 择、热处理技术、表面处理技术等方面,减少或者预防失效，从而延长铝合金压铸模寿命。关键词：铝合金压铸模;寿命;失效;表iei处理abstract : model life is a key problem in the production of aluminum alloy casting dies. this article introduces the situation of the domestic aluminum casting die in o

2、ur country , performance requirements , failure modes and mechanisms ; and from the mold design , mold material selection , heat treatment, surface treatment technology , etc. , to reduce or prevent failures , thus extending the life of aluminum alloy casting die.key words : aluminum alloy casting d

3、ie ; model life ; failure ;superficial treatment正文： 、压铸模压铸模用刚用于制造压力铸造和挤压铸造模具。根据被压铸材料的性质压铸 模可以分为：锌合金压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模等。压铸模对性能的 要求是:要较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热 性，良好的抗氧化性和耐蚀性,高的淬透性等。目前国内铝压铸模具采用的模具 材料95%以上是3cr2w8v钢，此外还有4cr5mo2mnvisi（代号y10）、4cr5movlsi（代号 h13）、3cr3mo3vnb（代号 hm3）钢等。3crzw8v 钢是老 牌热作模具钢,有

4、70多年使用历史,国内外应用广泛。二、铝合金压铸模概况压铸铝合金压铸铝合金自1914年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发 展和冷室压铸机的发明，得到了快速发展。特别是中国加入wto后，开放力度 加大，与国外合作频繁，鉴于价格优势和环保要求诸因素，大量压铸零件已转移 到中国生产。近年，由于摩托车、汽车及家电工业迅速发展，压铸行业出现了日 新月异的局面，压铸工业新一轮的兴起，兴旺了压铸模制造工业。进入21世纪以来，我国压铸模设计、制造的技术水平有很大提高,当今国 外模具先进加工设备，使用的软件cad/cae/cam、加工工艺及检测设备不少 企业已引进和应用，虽然数量还不是很多，但已成为各个模具企

5、业的主要加工设备和手段。目前我国铝合金模具技术虽有一走的发展，但与国外先进水平相比差距很 大，主要表现在制造周期长、模具寿命短、制造精度低等方面，其中模具寿命尤 为突出。国内铝合金压铸模具一般48万模次，和国外的差距比较大，如德国为102导万模次、日本为722万模次。大中型国产模具寿命一般在38万件之间，平均6万件，有的甚至3万件不到，而国外同类模具使用寿命可达10-15万 件，模具寿命短，直接导致生产效率的下降和产品成本的提高，影响国民经济的 发展。因此”为了提高国内铝压铸模具使用寿命，很有必要对模具作失效分析。三、失效形式和机理压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长,而且受热的温

6、度比 热锻模还要高。压铸有色金属时的温度400800°c ,压铸黑色金属时的温度可 达1000°c以上 同时，还承受了很高的压力(20120mpa) z还受到反复加热和 冷却以及金属液流动的高速冲刷而产生的磨损和腐蚀，并被反复加热、冷却，工 作环境比较恶劣。通常，把实际寿命低干平均工作寿命下限50%的模具称为早期失效，高于平均工作寿命上限30%的模具称为长效。随着工业高速发展，铝合金压铸模服役条 件更加苛刻，对使用性能提出了更高要求，国内铝合金压铸模早、中期失效严重。其失效形式主要有以下几种:1. 热疲劳失效热裂纹通常形成于模具型腔表1!1或内部热应力集中处，当裂纹形成后,

7、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，裂纹尖端附近岀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。图1是模具表面往往产生网状裂纹，即热疲劳裂纹的形态。如图2为热疲劳裂纹形态。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。热疲劳失效是压铸模最主要的失效形式。热疲劳裂纹大量岀现后，工件表面质量下降。又由于铝液渗入热疲劳裂纹中，工件脱模时被

8、迫变形、拉伤甚至撕裂, 模具从而失效。若压铸模钢纯度不高,杂质超标，含有气体，成分偏析，碳 化物不均匀等将急剧降低热疲劳寿命，钢中夹杂物是热疲劳裂纹源。正确地设 计浇注系统和内浇口位置，对延缓热疲劳裂纹的出现很有作用。没计浇注系统时 应注意避免金属液流正面冲击型腔和型芯。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 种观点则更倾向于材料的韧性。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104-105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应长周期的弹性应变,在这种情 况下，抗热疲劳性能与强度的联系更为紧密。

9、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过大的热应力，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,并据此确定模具合适的强韧性配合。2. 熔损冲蚀压铸时熔融铝液在高温、高压下，高速冲击和碰撞型腔，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。在交变应力反复作用下，致使型面点蚀与麻坑，如图&型腔表面受到不均匀摩擦作用而产生的磨损,如图7e机械冲蚀主要是磨蚀和气蚀。磨蚀是因合金含有

10、不均匀相熔融铝合金流过型腔引起,铝液约在720°c时与模具钢型腔起化学反应，气蚀是因铝液气泡逸出和型面化学成分变化与氧化 脱碳及铝液粘着型面引起。当用焊枪去除模面粘结铝液时，因模具局部受热升 温，形成回火过渡区，产生应力集中导致热裂，因热疲劳抗力急剧降低会引起应力腐蚀。此外，当铝充填到裂纹之中，铝与裂纹壁产生机械作用，这种作用与热应力叠加，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。3. 变形失效模具型腔或其它部位在使用中产生变形使得工件超差、表面质量下降或影响压铸正常行的现象称为变形失效。变形失效又可分为损伤性变形失效和非损

11、伤 性变形失效。最常见陨伤性变形失效是模具工作时因粘有工件留下的毛刺、微粒 等，在模具表面造成压痕、塌陷，或者于设计不当，型腔局部温度过高而软化等。非损伤性变形多发生在长效模具上,特别是多发生在模架上。因此，模架的组织 稳定处理、中间去应力回火等因受到充分的重视。4. 整体脆断整体脆断是由于偶然的机械过载或热过载而导致模具灾难性断裂。材料的塑 韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。材料中有严重缺陷或操作不当，会 引起整体脆断。随着钢中夹杂物的减少，尤其是s含量的降低，韧性将明显提高。在实际生产中，整体脆断的情况是不常发生的。铝合金压铸模工作条件恶劣，在高速、高压和高温下成型，承受高的冷热 交

12、变应力与机械应力等综合作用,国内外统计数据表明,该模主要失效形式比 例：热疲劳龟裂60%70%、崩块、卿 15%25%、塑性变形15%25%、熔损冲蚀5%10%和压铸件不易脱模与外观质量差等。国内生产相同产品铝合 金压铸模寿命仅为工业发达国家的一半。因此，必须从各方面采取方法提高铝 合金压铸模的使用寿命。四、压铸模材料的性能要求为了保证高效率、高质量、高产出的生产，提高模具寿命刻不容缓。对模具 材料有以下性能要求：a）抗热疲劳和抗热冲击性能好，压铸模不易产生裂纹；b）韧性和延展性好，改善了压铸模尖角和凸出部分的抗撞击能力；c)要有良好的可锻性、机加工和抛光性，节省了模具制造工时，降低了压铸模的

13、表面粗糙度;d)热处理变形小，尺寸稳定,热膨胀系数小；e)提高了模具硬度,具有很好的热硬性f) 要有良好的热强性、淬透性、耐磨性；g) 具有足够的高温抗氧化性；h) 热膨胀系数小，有良好的；i) 目前常用的材料有：3cr2w8v. 4cr5mosivl(h13)o四、提高寿命的措施近年来，随着压铸技术水平的提高，高效率、高性能压铸机的出现，压铸生 产己由单机自动化转向多道工序联动操作和组成平行作业流水线，这就进一步要 求压铸模具有更长的寿命。1.铸件结构以及模具设计显而易见，压铸件自身的结构在一定程度上对模具设计方案产生制约作用,进而影响到模具的使用寿命。一般来说，比较大而复杂的压铸件决定了压

14、铸模庞大的体积和复杂的型腔，这种模具寿命往往低于小而简单的模具寿命。但若注重设计方案的合理性和模具结构的适当性，则依然对提高压铸模寿命产生积极的影响。若从模具设计角度考虑压铸模寿命，则应考虑以下几点：(1) 高强度模具钢对死角有较强的敏感性，应使模腔壁厚及加强筋变化均匀 平滑，缓和过渡，并尽可能采用较大的内圆角(r>1)；(2) 水冷孔应布置在使整个模腔工作面相对匀称冷却的位置但应远离流道 底部；g)流道的设计应考虑能使流态金属平缓流畅地注入型腔空间z禁止喷射状注入，以免引发热冲击侵蚀;浇口与型腔壁距离应大于50mme2模具材料的选用模具材料的选用对模具毛坯在锻造时出现断裂或在淬火时出现

15、工艺缺陷，以 及服役时其承载能力降低等情况都跟所选的模具材料密切相关。过去我国一直沿用3cr2w8v钢作为压铸铝合金的材料，由于该钢种经常规 热处理后韧性塑性较差，模具在使用中早期龟裂和模体变形等情况常有发生。另 外，其多数为非精炼钢,存在偏析、非金属杂质含量偏高等问题。故目前国内众 多的模具制造厂均用4cr5movlsi(h13)e|x取代3cr2w8v钢制造压铸模，使模 具的使用寿命由原来的2万次左右,延长到25万次以上。如表1.h13与3cr2w8v 性能的比较。对于压铸铝合金，使用h33钢具有较高的模具寿命。h13压铸模经淬火和 回火最终热处理后”大、中型压铸模块最佳硬度为hrc444

16、8 小压铸模块最 佳硬度hrc4650。在上述硬度范围内模块具有最佳的强度和韧性组配。衷 1 4cr5movsi 与 3cr20v8v的性能比较4cr5movsi3cr2w8v1材质组织相对均匀杂质舍量商。成分僞析倾向尢.碳化 物不均匀度鬲2切削加工性优销差3商温机械性能（高温强度及披度）550 650 x：优650- 700 c 稍差550 650 x；差650 7601较好4淬透性（心部披度达iikc50的临界直径攻 厚度优 650mm)较好(120mm)5耐蚀性优稍差6热疲劳抗力热应变较分散，便于 发展成.龟裂热应变较集屮，便于主裂纹扩展7可焊补性（碳当量）优（小）绡差（大）8抗筑化性（

17、600 =25 t。300次徧环凤化夾重）优 42. 4 x 1(t 3kg/ m2)差(59. 6 x io" 3kg/ m2)9热传导性（导热系数）0. 068(：al/ <m. s x：650 )0. 058cal/< m.s*c (70() p10热膨胀系数(a x 10 snii!i/ mm c)12. 820 500 c)16. 1(20 500 c) 111热处理变形率（的x 80） （1 050 丈体积变化 率）理论0. 45%实测0. 24%埋论0. 50% 实测a 38%3.热处理工艺压铸模具材料的热处理是保证模具使用寿命的关键因数之一；目前采用的主要

18、有普通热处理淬火和真空气体淬火，普通热处理淬火若控制不好，在模具表面容易产生氧化物，模具变形量大,而真空气体淬火后模具表面没有氧化物，模具变形量小，可以更好的保证模具质量。压铸模的加工工艺一般为锻造-球化退火 -粗加工-稳定化处理-精加工-最终热处理（淬火、回火）-钳修-抛光-渗氮 （或碳氮共渗）一装配。采用最佳的模具热处理才能使得模具材料的各项性能都能 够满足要求。此外，对h13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。4.表面处理技术对模具进行表面处理是延长模具寿命的最有效、最经济、最省时的方法。通过调整一般热处理工艺改善钢的强

19、度和韧性，获得强韧性的良好配合。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。涂覆型处理技术气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在 表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨层或具有特殊的光学、电学性能)的金属或 化合物涂层的新技术。化学气相沉积(cvd)的沉积物由引入高温沉积区的气体离解所产生。cvd 处理的模具形状不受任何限制，可以在含碳量大于0.8%的工具钢、渗碳钢、高 速钢、轴承钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。气相沉积tic、tin有很好的 效果。由

20、于tic的高硬度及tin的高润滑性，在金属模具上涂覆tic、tin覆层 的工艺，其覆层硬度高达3000hv ,使模具耐磨性好、抗摩擦性能提高。但是cvd处理之后仍然需要进行淬火回火。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z国内应用也都使寿命成倍的提高。气相沉积还有一种是物理气相沉积(pvd) z将金属、合金或化合物放在真空 室中蒸发(或称溅射)，使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的 工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀三类。与cvd法相比,pvd法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快,无公害等，因而有很高的 实用价值。它的不足之处是沉积层与工件

21、的结合力较小,镀层的均匀性稍差。扩散型处理技术a) 渗碳渗碳方法是最古老、应用最广泛的一种表iei化学热处理工艺方法。渗碳是把钢置于渗碳介质(即渗碳剂)中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子 渗入钢表层的表面化学热处理工艺。一般情况下渗碳在ac3以上(850°c950°c) 进行。渗碳的目的在于使模具的表面在热处理后碳浓度提高,从而使表层的硬度、 耐磨性、接触疲劳强度较心部有较大的提高，而心部仍保持一定强度和较高的韧 性。b) 渗氮渗氮是在一定的温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目 的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳极限、热硬性及抗咬合性,提高零件抗

22、大 气、过热蒸汽的腐蚀能力，降低缺口敏感性。一般压铸模经淬火、回火 (45hrc47hrc)后就能使用，但是为了达到要求的性能，必须进行渗氮。氮化 层深度一般为0.15mm0. 2mmo氮化后需要打光，磨去白亮层(厚约0. 01mm 左右)。一般情况下，渗碳在ac3以上(850°c950°c)进行。某厂用h13钢制造 挤压铝型材的空心模,经1080°c油淬+560°cx2h两次回火，硬度为48hrc。 经过520°cx4h的离子渗氮，每副模具挤压的型材从1000kg左右提高4500kg 寿命提高了 3倍。c) n-c共渗(软氮化)h13钢由于渗

23、氮化合物中。相韧性较低,膨胀系数较大,对热疲劳性 能产生不利影响。而软氮化时，由于c在w相中的溶解度高(550°c时达38%), 软氮化的表层是c、n共同的化合物，这种化合物韧性好且耐磨。软氮化温 度在565弋以下附近较好，既能保证渗速,又能使形成的w+v 瘢的n浓 度较高，可以在表层形成£之前有更多的n渗入基体，这样在第二阶段n原 子扩散时，有利于形成合理的扩散层。软氮化时间以24h为宜，超过6h , 渗n层不再增加，硬度在23h达到最大值。实践证明比较合理的气体软 氮化工艺如图1所示。d）温处理超低温处理 火工艺后的后续 后的工件经 低温回火后/立 液氮做致冷剂的 理设

24、备中进行超超低60 80滴/分钟酒精a560°c540ac/分解率2030%34h分解率4045%12h油冷时间/h图1h13钢的气体软氯化工艺是常规淬 过程，淬火100。（：左右 即放入以 超低温处 低温处理。e） 表面渗铝渗铝是指铝在金属或合金表面扩散渗入的过程。渗铝的主要目的在于提高材 料的热稳定性、耐磨性和耐蚀性。对模具表面进行先渗铝后氧化的方法，使表面 生成fe-ai-0的混合物，以减少粘模的发生，从而延长模具的寿命。工业上获得应用的渗铝方法主要有三种:体粉末渗铝、热浸镀铝、表面喷镀铝再扩散退火。高能束表面改性技术激光熔覆技术通过在模具表面覆盖一层薄的具有一定性能的熔覆材料

25、，以改善表面性能。h13钢常规处理后硬度44hrc ,经激光淬火,表面硬度可达772hv（相当于62hrc）,淬硬层深度0.63mm。由于得到以超细化高密度位错 型马氏体为主的组织，以及激光加热后自回火过程中析出弥散碳化物，使得淬硬 层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高。激光熔覆技术以其加工精 度高,热变形小，后续加工量少等特点具有很大的潜在应用价值。5 .采用真空冶炼和电渣重熔技术为改善钢材内在质量，现己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。h13钢铝挤压模采用1080弋真空淬火，600°c+ 580°c回火的热处理工艺后，表面硬度达hrc53 ,磨损抗力增加，减少粘铝，提高了模具的耐磨性。而且疲劳抗力大幅度提高，模具断裂现象大为减少，模具 使用寿命比常规处理提高23倍。此外，还要发展新材料和选用电渣重熔、二次精炼和真空冶炼压铸模新钢种 代替传统的3cr2w8v电炉钢。试验表明：选用4cr3mo2nivnbb精炼压铸 模钢，采用复合强化处理新工艺，使用寿命比原用3cr2w8v电炉钢制该模 常规热处理提高34倍，且具有低粗糙度值的光洁表面，达到国外同类产品 先进水平。五、结束语为防止模