探讨提高H13钢铝合金压铸模质量和使用寿命的途径

1、探讨提高H13钢铝合金压铸模质量和使用寿命的途径 28 材料导报网刊 2010 年5 月第5 卷第2 期 探讨提高H13 钢铝合金压铸模质量和使用寿命的途径 毕静波 （威海职业学院，威海 264210 ） 摘要 在压铸生产中，模具寿命是关键。分析总结了影响铝合金压铸模使用寿命的诸多因素，如压铸件结构、形状、 模具设计、模具材料及加工工艺、模具的正确使用、维修和管理等方面，阐述了热处理方法对铝合金压铸模使用寿命的重要 性，探索提高模具质量、延长模具使用寿命的途径。 关键词 H13 钢铝合金压铸模 材料 热处理 加工工艺 使用寿命 The Discussion of Enhancing H13 A

2、luminium Alloy Casting Die Quality and Service Life s Path BI Jingbo Weihai Vocational College, Weihai 264210 ） Abstract In the production of aluminium alloy die-castdies,thelife-span is a key problem. Many factors which influence the service life of aluminium alloy casting die is analyzed and summa

3、rized, such as the structure and shape of die casting, the design of mould, mould s material and making process ,and correctly using and managing mould etc. The importance of heat treatment to aluminium alloy casting die service life is expatiated. And the way of enhancing the quality and service li

4、fe of mould is found. Key words H 13 aluminum alloy casting die, material, heat treatment, making processes, service life 压铸是一种高效益、高效率、无切削金属热加工成形方 应一个主要因素，找出了导致失效的原因，就可以找出解决 法。近二十多年来，这项技术发展的十分迅猛。目前，压铸 问题的方法。 零件已在各个工业部门的许多产品中得到了广泛的应用。模 表1 模具失效原因统计 （平均） 具的质量、使用寿命直接关系到产品的质量、性能、生产率 Table 1 Causes of die

5、 failure 及成本。目前我国铝合金压铸模具虽 一定的发展，但与国 设计 材质 使用 加工方法 失效原因 热处理问题 其它 外先进水平相比差距很大，主要表现在制造周期长、模具寿 不合理 问题 不佳 不妥 命短、制造精度低等方面，其中模具寿命尤为突出。国内铝 失效率% 55 12 10 7 7 9 合金压铸模具使用寿命较低，仅为国外同类模具的 1/5 对压铸模材料的要求：材质纯洁而均匀；优良的机械加 1/3 。模具寿命短，直接导致生产效率的下降和产品成本的 工性；良好的高温机械加工性能；高的淬透性；高的耐腐蚀 提高，影响国民经济的发展。因此，探讨提高铝合金压铸模 性；优良的抗疲劳性；较好的可

6、焊性；高的抗氧化性；优良 质量和使用寿命具 重要意义。 的热传导性；低的热膨胀率和热处理变形率。 H 13 钢自从问世以来，由于其良好的技术特性，常用于 1 压铸模的失效形式 制造铝合金压铸模具的材料，尽管后来又不断 新的钢种问 由于压铸生产的工作原理在压铸过程中，压铸模直 世，在我国 H 13 钢仍然占 不可替代的地位，因其不容易 接与高温、高压、高速的金属液相接触，一方面它要受到金 产生疲劳裂纹，即使出现疲劳裂纹也细而短，不容易扩展， 属液的直接冲刷、磨损、高温氧化和各种腐蚀；另一方面由 而且抗粘结力强，与 融金属相互作用较小，从而保证压铸 于生产的高效率，模具的温度升高和下降非常激烈，并

7、形成 件能获得较好的外观质量，同时这种钢也具有较高的热硬 周期性的变化，造成压铸模在极其恶劣的环境下工作。对铝 性。H 13 钢作为一种马氏体型热作模具钢，具有较高的韧性 合金压铸模而言，铝合金 液的温度通常在 670730 之 和耐冷热疲劳性能，中等的抗回火软化能力和耐 损性等综 间，以 40 180m/S 的速度压入模腔，此压力大约为 合性能，属中耐热韧性钢，是一种比较理想的热作模具用钢。 20 120MPa ，保压时间 520s ，每次压射间隔时间大约为 在我国制造业中，这种钢已取代早年使用的 3Cr2W8V 钢, 2075s，模腔表面受到高温高速铝液的反复冲刷，产生较大 采用H 13

8、钢时使用寿命要比3Cr2W8V 钢提高0.51 倍， 应力。国产模具在选材、制造精度、热处理、表面处理等方 H 13 钢几乎是压铸模和热挤压模用钢的唯一选择。 面都 一定差距，反映在模具上的问题是磨损、热疲劳、开 裂、烧蚀、塑性变形等。根据对大量的压铸产品的统计，发 2 采用最佳模具热处理规范 现模具早失效的原因主要 几个方面，见表1。由表1 可见， 热加工的各环节对于提高压铸模的寿命至关重要。压铸 引起模具失效的原因是多方面的。实际上，每种失效总是对 模的加工工艺一般为：锻造完全退火或球化退火粗加工 毕静波：1966 年生，工程师，讲师，硕士 E-mail: biji ngbo1966163

9、 探讨提高H 13 钢铝合金压铸模质量和使用寿命的途径/毕静波 29 稳定化处理精加工最终热处理 淬火、回火 钳修 且随着回火温度的升高，出现二次硬化现象，二次硬化峰一 抛光渗氮 或碳氮共渗 装配。模具毛坯进行锻造的目 般出现在550 左右。V 使析出更多的MC 型弥散碳化物， 的，首先是碳化物均匀分布，加热时阻碍奥氏体晶粒的长大， 它在620630 回火时，硬度仍能保持在45HRC 左右，具 降低钢对过热的敏感性。由于均匀分布的碳化物硬度极高， 有较好的抗回火稳定性。H 13 应避免在出现二次硬化峰温度 显著地提高了钢的耐磨性和抗咬合能力，也增强了钢的塑性 范围内回火，而采取高于二次硬化峰的

10、温度回火。为了使一 变形抗力；其次是形成合理的流线分布，使材料在力学性能 次回火过程中残余转变奥氏体产生的马氏体充分回火，一般 上及淬火变形的趋向方面，不会出现明显的差别。生产中采 采用二次或三次回火。对于H13，如果降低Cr 含量提高V 用先进的毛坯锻造工艺，能够达到上述预期的目的。H13 钢 含量，使钢在回火时析出以VC 为主的高度弥散的碳化物， 锻造时化学成分 时偏析严重, 因此淬火组织非常不均匀, 降低高温下不稳定的Cr 的含量，可以提高其使用温度及高 模具内应力很大, 服役过程易开裂。H 13 钢属于共析钢，可 温性能。 许多试验表明，在1100 淬火和620 回火时具 以采用完全退

11、火或等温球化退火工艺，H13 钢完全退火工 有相对高的热疲劳抗力。另外，为了延长压铸摸具的寿命, 艺见图1，H 13 钢球化退火工艺见图2 。 还可对压铸模进行预处理、稀土软氮化处理、PVD 、CVD 、 PACVD 、TD 等表面强化热处理工艺。 图1 H13 钢完全退火工艺 Fig.1 Full annealing processes of H13 steel 图3 H13 钢真空热处理工艺 Fig.3 Vacuum heat treatment of H13 steel 3 合理设计铸件及压铸模 由于铸件结构设计上的不合理，导致模具中存在着细薄 的截面，成为断裂的根源。如斜度值的不合理，

12、会引起抽芯、 开模或取件时的擦伤；型腔壁面交界处的倒角，稍 疏漏， 会造成应力集中裂纹；浇注系统的设计中，在流向、截面积 和压射速度等控制不当，会造成对型壁或型芯的冲蚀，金属 图2 H13 钢球化退火工艺 液进入型腔后形成的涡流，由于涡芯部分的流速为无穷大， Fig.2 Spheroidizing annealing processes of H13 steel 因而对模面起到强烈的镂蚀作用，造成局部拉毛、模具刚度 H 13 钢退火后的组织主要为珠光体和少量的未溶碳化 不足；如果片面地强调节约钢材，也会导致早期变形或断裂 物，碳化物的类型主要是M23C6 和M6C 。经 850900 的情况时

13、 发生。 另外，如果在各种构件配合精度等级方 退火后,一般硬度为207229HBS,加工性能比较好。但由于 面选用不当，或是由于 余隙的存在，引起热导率的下降， 钢的含铬量比较高,在加工过程 些发 。H 13 钢在珠光体 尽早地产生热疲劳，或是由于装配尺寸过紧，形成预应力， 转变区 过冷奥氏体相当稳定，该钢因含有较高的铬而具 致使压铸过程中模具出现爆裂；在现代的模具结构中已经考 很好的淬透性，钢中含 的1%以上的钼对钢的淬透性也起 虑采用快速顶出机构，一方面是为了提高生产效率，另一方 着重要用。钢中的钒由于能形成稳定的碳化物，实际上降低 面也是为了 少铸件的留模时间，卸除模具材料的热载荷。 了

14、钢的淬透性。淬火回火的目的是形成各种弥散分布的硬的 在压铸模设计中，应尽可能地 少镶拼，以增强型腔的刚度。 合金碳化物，调整硬度，提高耐溶损、耐磨损等综合性能。 H 13 钢的淬火回火工艺，可以采用盐浴炉、真空炉和流动 4 正确使用、维护和保养模具 粒子炉加热，模具表面光洁, H 13 钢真空热处理工艺回充氮 正确的预热和浇注温度，可以延长模具使用寿命。试模 真空气淬及高温回火如图3 所示。H 13 淬火后可以得到细晶 及每次生产前模具要预热，连续生产过程中，模具镶件温度 粒组织，保留少量过剩M6C 和MC 型合金碳化物和一定数 要保持平衡，具体参数可见表2 。铝合金的浇注温度参数可 量的残余

15、奥氏体。由于含 的V 具 良好的抗过热敏感性， 见表3 ）。 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 适宜的冷却。压铸模一般设计 冷却装置, 以保证模具 10501070 时，达到最大值，再提高淬火温度，硬度增加 的热平衡。 资料指出，冷却水应采用50 左右的恒温供 很少而晶粒开始长大。在淬火冷却时，应以较快的冷速冷至 水系统 就象精密设备需配置中央空调一样必要 。停水数分 400450 ，以防止共析碳化物的析出。为了得到较好的综 钟后，应调节冷水流量，以降低模具冷却速度。禁止用冷水 合性能和稳定的组织，H 13 钢一般采用二次或三次回火，并 激冷模具。 30 材料导报网刊 20

16、10 年5 月第5 卷第2 期 表2 模具预热温度、连续工作保持温度 孔，让模具的应力消失在圆孔处，然后将圆孔用模具材料堵 Table 2 Temperature of die on different conditions 上，这样就可以避免开裂继续延伸。 采用镶嵌，利用双形燕尾将开裂的镶块连接，防止开裂 壁厚至3mm 壁厚大于3mm 结构特征 继续发展。 结构简单 结构复杂 结构简单 结构复杂 焊接要素：开V 型槽，坡口大于60°，槽底为圆。 预热温度/ 150180 200230 120150 150180 预热，目的是防止热影响区之组织转变造成的开裂。预热温 连续工作 度在3

17、00350 ，焊接时焊点与周围温度差应小于150 。 180240 250280 150180 180200 保持温度/ 第一层及第二层堆焊电流要小，焊珠要细，这样热影响区 表3 浇注温度 才会浅，热量传递少，焊接区韧性也好， 时裂纹较深无法 Table 3 Teeming temperature 完全去除，则在V 型槽底部打个小圆孔，焊接时先焊两头， 后焊中间，再焊二轮流焊，直至将小圆孔堆满，然后再正常 壁厚至3mm 壁厚大于3mm 结构特征 焊接。如从一端焊接过来，则另一端裂纹会张开；对于深的 结构简单 结构复杂 结构简单 结构复杂 裂纹，建议先在下面焊韧性好的软态焊丝，如 29Cr-9N

18、i 系 铝硅合金 610650 640700 590630 610650 列美国MMA AWSE312 ），这样可以提高抵抗裂纹扩展的 铝铜合金 620650 640720 600640 620650 能力，表面5mm 用高于同质的材料焊补。焊补后堆焊应 高于材料表面，然后用手提砂轮机将高出的表面轻轻磨去。 铝镁合金 640680 660700 620660 640680 应等焊件冷却到5070 后再回火，直接回火没 效果； 稳定化处理。压铸模使用一段时间后 一般建议5000 焊区温度不超过475 ，回火温度不高于500 ，回火冷却 10000 次 应进行消除应力的稳定化处理，以防止模具长期受

19、 时开始二小时的冷却速度为 20-40 /h 。焊接要求采用氩 复杂应力相互作用而产生迭加，使模具扭曲、变形甚至开裂。 弧焊，并先堆一层极细的焊珠，然后用电极走一下，使薄层 正确的压铸操作。要善于辨别细微之处，注意及时清理 再次 化以去除缺陷和氧化层，再用手提砂轮轻轻磨去表 型腔遗留的残渣铝刺。若 异常，立即停机，以免损坏模具 面，用钢刷把表面清理干净，再继续堆第二层，直到完成； 和机器。模具涂料。涂料的覆膜性对保护模具材料起到重要 为了防止焊接纹路的产生，焊接时必须保持焊接电流一致。 的作用，在每个压铸循环中喷刷涂料也起到冷却模具，提高 模具材料表面忌用交流电焊进行修复，交流电焊在焊接 模具

20、寿命的作用。凡是涂料未能匀覆之处，皆有受到侵蚀的 过程中，由于电流不稳定，造成焊接的部分周围组织由于温 危险。在选用压铸模涂料方面，要尽力选用对模具型腔腐蚀 差发生开裂，影响模具的表面质量和模具的寿命。 性小的涂料，以减轻对模具的腐蚀。 模具的检修。模具在服役过程中的定期观察与检测是至 7 结语 关重要的，在生产中由于支撑板、套板、镶块、抽芯机构及 为了提高 H 13 钢铝合金压铸模质量和使用寿命，必须 推出机构等的变形，以及紧固螺栓的松动都是导致模具早期 作到以下几点：采用最佳模具热处理规范；合理设计铸件及 破坏的重要原因。 压铸模；正确使用、维护和保养模具；保证模具的加工质量； 5 保证模具的加工质量 模具早期开裂要及时处理。 只有作到上述各方面，才能使模具寿命达到最高值