壓鑄模具鋼的選用及提高壽命方法

我國加入WTO后的新形式,模具行業從總體上來看,機遇要大于挑戰.這主要是我國模具價格要比許多工業發達國家低,有的甚至只是國外價格的1/3～1/5,因此在國際市場上有一定的競爭優勢.

從資料可知,在全部模具中,其模具用量的次序是塑料模具、冷沖壓模、鑄造模具、鍛造模具等等。但是，由于選材不對、工藝不正確或操作不當，造成低的高溫強度與韌度、差的高溫耐磨性、低的耐熔融損傷性等，嚴重影響了模具使用壽命。所以，除了選擇正確工藝及合理操作以外，壓鑄模材料的選用也是重要問題之一，這對提高模具的產品質量、延長使用壽命具有十分重要的意義。

1 工作條件與性能要求

壓鑄模是完成壓力鑄造生產的基本工具,是在高壓150MPa～500MPa下將高溫1000℃熔融金屬壓鑄成形，加工對象有鉛、鋅、鋁、鎂、銅及其它合金等。由于這些金屬及合金的熔點不同，對模具性能要求也不完全相同。

1.1 壓鑄模具的工作條件

(1)與其他模具相比，壓鑄模具的工作條件十分惡劣，因不同被壓鑄的金屬，要承受150MPa～500MPa很高壓力的作用。

(2)工作時，經常與300℃～1000℃的熔融金屬接觸，不同壓鑄合金的澆注溫度見表1。且不斷地反復加熱和冷卻，沿截面溫度梯度很大。

表1 不同壓鑄合金地澆注溫度

(3)模具工作型腔收到150m/s～70m/s高速注入地熔融金屬接觸時，會產生嚴重地磨損。

(4)型腔在液態金屬沖刷和浸蝕作用下，易使金屬粘著在模具型腔表面上(尤其是鋁合金更為突出)，甚至滲入模面或與模面金屬發生化學變化而腐蝕模面。

1.2 壓鑄模其他性能要求

壓力鑄造可以鑄出形狀復雜、精度高、表面粗糙度小并且具有良好地力學性能的零件。所以，壓鑄模具應具有如下的性能要求：

(1)較大的高溫強度與韌度

壓鑄模具受到熔融金屬注入時的高溫、高壓和熱應力作用，容易發生變形，甚至開裂。因此，模具材料在工作溫度下應具有足夠的高溫強度與韌度，以及較高的硬度。

(2)優良的高溫耐磨性、抗氧化性與抗回火穩定性

高溫熔融金屬高速注入模具和澆鑄后脫模時，均產生較大的摩擦作用，為保證模具長期使用，模具在工作溫度下應均有較高的耐磨性。大量連續生產的壓鑄模具，長時間處于一定溫度作用下，應持續保持其高硬度，而且應不粘模及不產生氧化皮。因此，模具還應具有良好的抗氧化性與回火穩定性。

(3)良好的熱疲勞性能

壓鑄模具表面反復受到高溫加熱與冷卻，不斷膨脹、收縮，產生交變熱應力。此應力超過模具材料的彈性極限時，就發生反復的塑性變形，引起熱疲勞。同事，模具表面長時間受到熔融金屬的腐蝕與氧化，也會逐漸產生微細裂紋，大多數情況下，熱疲勞是決定壓鑄模具壽命的最重要因素。

(4)高的耐熔融損傷性

隨著壓鑄機的大型化，壓鑄壓力也在增大，已從低壓的20～30MPa，提高到高壓150～500MPa。高溫高壓澆鑄可產生明顯的熔融損傷，模具應對此具有較大的抵抗力。為此，模具材料必須具有較大的高溫強度，較小的對熔融金屬親和力，模具表明粗糙度要小，并附有適當的氧化模、氮化層等保護層，而不存在脫碳層。

(5)淬透性好、熱處理變形小

一般壓鑄模具的制造方法是將退火狀態的模具材料雕刻型腔，然后熱處理，得到所需要的硬度，或將模具材料先進行熱處理，得到需要的硬度，再雕刻型腔。先雕刻型腔后熱處理的制造方法，有高的硬度和強度，不易產生熔損與熱疲勞。無論用哪一種方法進行熱處理，得到均一的硬度是必要的，所以要求淬透性好，特別是先雕刻型腔后進行熱處理，要用熱處理變形小的材料，這點對于尺寸大的模具尤為重要。

(6)較好的被削性與磨削性

壓鑄模型腔都經切削加工制成，所以模具材料應具有較好的被削性。必須指出，耐磨性好的材料，其被削性一般較差。許多模具鋼就是如此，雖在退火狀態，其基體部分還是較硬。再加堅硬的碳化物，一般切削困難。

為獲得較光滑的壓鑄件，要求模具型腔表面的粗糙度值小，所以對模具材料也應具有較好拋光性能。

(7)材料內部組織均勻無缺陷

模具材料的組織應均勻、無缺陷、方向性少、否則不僅影響模具的裂紋、強度、熱疲勞性能，而且還影響熱處理變形。

表2列出壓鑄不同金屬對模具硬度要求。

表2 壓鑄模具硬度

2 壓鑄模材料的選用原則

經上述分析及介紹可知，壓鑄模材料的選用原則是：

第一 能滿足被壓鑄材料工作條件的要求，一般按表3選用。

表3 壓鑄模具材料的選用

第二 根據被壓鑄零件的大小來決定模具尺寸，并考慮到生產批量，參見表3。

第三 按鋼材的供應條件，應優先采用我國自產，并且冶金質量穩定的鋼材。

第四 大、中型精密壓鑄模具，應選用加工工藝性能好、使用性能可靠和壽命長的鋼種。

3 提高模具壽命方法

隨著現代技術的進步，積極推廣應用新技術，是進一步提高模具壽命的重要手段。較成熟的提高模具壽命的新工藝有模具整體強韌化處理及模具表面強化處理兩大類。

3.1 整體強韌化處理

3Cr2W8V模具鋼使用較廣，常規熱處理工藝為1050℃～1100℃淬火，550℃～620℃回火，硬度一般為45 HRC～50HRC，使用中常出現早期斷裂現象，模具壽命往往是較低的。如改用高溫淬火和高溫回火新工藝，即1150℃高溫淬火，640℃～680℃高溫回火，硬度為40HRC左右，得到回火索氏體組織。這樣，硬度雖然降低了些，但由于耐熱疲勞性及斷裂韌度大大提高，使用中避免了斷裂現象的發生，使用壽命顯著延長。若將回火溫度控制在620℃～640℃，硬度保持43HRC左右，對一些凸模形狀可以延緩產生塌陷時間。

3.2 表面強化處理

近幾年來，隨著工業的發展，對產品質量的要求日益嚴格，因而對模具的要求也越來越高。特別是精密壓鑄模具，除要求有很高的力學性能，還要求變形量很小，熱處理后基本不再加工。下面介紹了三種常用的模具表面強化處理：

(1)模具氣體軟氮化

氣體軟氮化是一項新的化學熱處理工藝，它是由液體軟氮化發展起來的。這項工藝是在井式爐中使用尿素、甲酸胺、三乙醇胺等有機化合物作為滲劑，或通入氨加滲碳性氣體等添加物進行氮化處理。

氣體軟氮化工藝除具有液體軟氮化處理溫度低、時間短、變形小、不受鋼種限制，處理后能顯著提高模具型腔的耐磨性、疲勞性、抗咬合及擦傷等性能外，還解決了液體軟氮化的毒性問題，具有勞動條件好，氮化質量穩定，工藝操作方便等有點。

壓鑄模具鋼3Cr2W8V軟氮化后滲層厚度表明硬度的關系見表4。

表4 軟氮化后滲層厚度與表面硬度的關系

3Cr2W8V壓鑄模徑氣體軟氮化表明強化處理后，一般能提高2～10倍，取決于被壓鑄德零件材料、形狀及尺寸。

(2)模具離子氮化

離子氮化是提高模具零件耐磨性、疲勞強度、抗蝕性德一種新德化學熱處理工藝，生產實踐證實，應用在壓鑄模具上效果良好。

模具離子氮化德應用實例見表5。

表5 模具離子氮化德應用實例

(3)模具滲鉻

壓鑄模滲鉻可提高型腔表明硬度(HV1300以上)、耐磨性、耐蝕性、疲勞強度和抗高溫氧化性。對承受強烈磨損的模具，可顯著提高使用壽命。

模具滲鉻時，加熱到950℃～1100℃，保溫5h～10h即可形成一層結合牢固的滲鉻層。滲鉻層厚度一般較小，不影響模具型腔的尺寸。

例如，某廠對壓鑄件的一般形狀及尺寸來說，鋁合金壓鑄磨3Cr2W8V，經滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右。

4 結束語

壓鑄模的工作條件極為復雜和惡劣，一副模具在使用過程中往往交織著多種損傷現象，這些損傷相互作用、相互促進，最后以一種或多種形式失效。所以，在選用模具鋼時，應認真細致地進行探討及分析，從而采用提高壓鑄模使用壽命地最佳措施，這將對降低生產成本提高經濟效益具有重要地現實意義。