壓鑄模具鋼的選用及提高壽命方法

　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(duì)、工藝不正確或操作不當(dāng)，造成低的高溫強(qiáng)度與韌度、差的高溫耐磨性、低的耐熔融損傷性等，嚴(yán)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(duì)提高模具的產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)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(chǎn)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(duì)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(diǎn)不同，對(duì)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(shí)，經(jīng)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(fù)加熱和冷卻，沿截面溫度梯度很大。

　　(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(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重地磨損。

　　(4)型腔在液態(tài)金屬?zèng)_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(fā)生化學(xué)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(fù)雜、精度高、表面粗糙度小并且具有良好地力學(xué)性能的零件。所以，壓鑄模具應(yīng)具有如下的性能要求：

　　(1)較大的高溫強(qiáng)度與韌度

　　壓鑄模具受到熔融金屬注入時(shí)的高溫、高壓和熱應(yīng)力作用，容易發(fā)生變形，甚至開裂。因此，模具材料在工作溫度下應(yīng)具有足夠的高溫強(qiáng)度與韌度，以及較高的硬度。Toolox材料具備高強(qiáng)度，高韌性（極高達(dá)100J以上韌性），高硬度的優(yōu)勢(shì)。Toolox44更是世界上最硬的預(yù)硬工具鋼（HRC45 48）。瑞典皇家工學(xué)院宣稱Toolox是高硬度與高韌性完美的結(jié)合。

　　(2)優(yōu)良的高溫耐磨性、抗氧化性與抗回火穩(wěn)定性

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

　　(3)良好的熱疲勞性能

　　壓鑄模具表面反復(fù)受到高溫加熱與冷卻，不斷膨脹、收縮，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。此應(yīng)力超過模具材料的彈性極限時(shí)，就發(fā)生反復(fù)的塑性變形，引起熱疲勞。同時(shí)，模具表面長(zhǎng)時(shí)間受到熔融金屬的腐蝕與氧化，也會(huì)逐漸產(chǎn)生微細(xì)裂紋，大多數(shù)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(jī)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(chǎn)生明顯的熔融損傷，模具應(yīng)對(duì)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(qiáng)度，較小的對(duì)熔融金屬親和力，模具表明粗糙度要小，并附有適當(dāng)?shù)难趸?、氮化層等保護(hù)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(tài)的模具材料雕刻型腔，然后熱處理，得到所需要的硬度，或?qū)⒛＞卟牧舷冗M(jìn)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(qiáng)度，不易產(chǎn)生熔損與熱疲勞。無論用哪一種方法進(jìn)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(jìn)行熱處理，要用熱處理變形小的材料，這點(diǎn)對(duì)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(jīng)切削加工制成，所以模具材料應(yīng)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(tài)，其基體部分還是較硬。再加堅(jiān)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(duì)模具材料也應(yīng)具有較好拋光性能。Toolox的鏡面拋光性能非常好，高達(dá)14000#。

　　(7)材料內(nèi)部組織均勻無缺陷

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

　　2 壓鑄模材料的選用原則

　　經(jīng)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。

　　第二根據(jù)被壓鑄零件的大小來決定模具尺寸，并考慮到生產(chǎn)批量。

　　第三大、中型精密壓鑄模具，應(yīng)選用加工工藝性能好、使用性能可靠和壽命長(zhǎng)的鋼種。

　　3 提高模具壽命方法

　　隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，積極推廣應(yīng)用新技術(shù)，是進(jìn)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(qiáng)韌化處理及模具表面強(qiáng)化處理兩大類。

　　3.1 整體強(qiáng)韌化處理

　　3Cr2W8V模具鋼使用較廣，常規(guī)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(xiàn)早期斷裂現(xiàn)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(xiàn)象的發(fā)生，使用壽命顯著延長(zhǎng)。若將回火溫度控制在620℃～640℃，硬度保持43HRC左右，對(duì)一些凸模形狀可以延緩產(chǎn)生塌陷時(shí)間。

　　3.2 表面強(qiáng)化處理

　　近幾年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，因而對(duì)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(xué)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(qiáng)化處理：

　　(1)模具氣體軟氮化

　　氣體軟氮化是一項(xiàng)新的化學(xué)熱處理工藝，它是由液體軟氮化發(fā)展起來的。這項(xiàng)工藝是在井式爐中使用尿素、甲酸胺、三乙醇胺等有機(jī)化合物作為滲劑，或通入氨加滲碳性氣體等添加物進(jìn)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(shí)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(dòng)條件好，氮化質(zhì)量穩(wěn)定，工藝操作方便等特點(diǎn)。

　　(2)模具離子氮化

　　離子氮化是提高模具零件耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕性德一種新德化學(xué)熱處理工藝，生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，應(yīng)用在壓鑄模具上效果良好。

　　(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(qiáng)度和抗高溫氧化性。對(duì)承受強(qiáng)烈磨損的模具，可顯著提高使用壽命。

　　模具滲鉻時(shí)，加熱到950℃～1100℃，保溫5h～10h即可形成一層結(jié)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(duì)壓鑄件的一般形狀及尺寸來說，鋁合金壓鑄磨3Cr2W8V，經(jīng)滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右。

　　4結(jié)束語

　　壓鑄模的工作條件極為復(fù)雜和惡劣，一副模具在使用過程中往往交織著多種損傷現(xiàn)象，這些損傷相互作用、相互促進(jìn)，最后以一種或多種形式失效。所以，在選用模具鋼時(shí)，應(yīng)認(rèn)真細(xì)致地進(jìn)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(duì)降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要地現(xiàn)實(shí)意義。

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