压铸是现代金属压力加工工艺中发展迅速的一种高效、无切割的金属成型精密铸造方法。它已广泛应用于国民经济的各行各业。除汽车、摩托车、仪器、工业电器外,还广泛应用于家用电器、农业机械、无线电、通信、机床、运输、造船、摄像头、钟表、计算机、纺织设备等行业[1]。模具材料是承载模具设计和热处理的主体和制造的主要对象。它在模具工业中起着重要的作用,在模具制造工艺的难度、模具热处理工艺的适当性、模具的长期寿命等方面发挥着主导作用。
1 压铸模具材料的性能要求
1.1压铸模失效的主要原因
① 劳热疲劳是由于模具在压铸过程中反复受到冷热引起的热应力,导致逐渐产生裂纹。它的大部分形状是网状的,也被称为裂纹,也被称为放射性的。这些在模具表面浅层的微裂纹通常可以修复。如果热疲劳裂纹深入基底,模具修复会导致模具尺寸过差,或由于压铸过程中的机械应力或热冲击,热疲劳裂纹会扩展成宏观裂纹,导致模具故障。
② 严重脆性裂纹压铸模脆性裂纹首先形成宏观裂纹,迅速扩展.脆性开裂失效。造成机械过载、热冲击、加工质量差、模具承载能力弱、模具设计不合理、应力集中等原因,模具材料韧性不足是脆性开裂的内因。
③ 在腐蚀(腐蚀)压铸过程中,熔融金属通过压力注入压铸模腔。在某些情况下,熔融金属与模具之间会发生反应,导致模具材料溶解,本质上是腐蚀与腐蚀的结合。主要影响因素有:铸造合金的温度和成分、模具设计和表面处理。
④ 坍塌是指模具在压铸过程中或其分型表面的坍塌。这是由于模具材料的热强度过低。压铸温度越高,坍塌的可能性就越大。
1.2 压铸模具材料的性能要求
压铸模具的使用寿命与压铸模具的材料密切相关。压铸模具部件主要分为与金属液体接触的部件、滑动配合部件和模具框架结构部件。在金属压力铸造生产过程中,压铸模型腔和浇筑通道直接接触高温、高压、高速金属液体。一方面,由于金属液体的直接冲刷、磨损、高温氧化和各种腐蚀:另一方面,由于生产效率高,模具温度的升降非常剧烈,形成了周期性的变化。因此,压铸模具钢具有较高的热疲劳阻力、导热性和良好的耐磨性、耐腐蚀性和高温机械性能。压铸模具的材料选择主要取决于铸造金属的温度和铸造金属的类型。温度越高,压铸模具的损坏和磨损就越严重。由于压铸模具的各部件在不同条件下工作,铸造金属的冲击和磨损也不同,因此压铸模具的硬度要求应根据零件的使用和铸造金属的不同而有所不同。例如,磨损严重的零件应具有较高的硬度;加热条件下工作的零件应具有较高的热疲劳性能和高温性能.
2 锌合金压铸模具采用钢和钢
锌合金的熔点为400~430℃。锌合金压铸模的表面温度不超过400℃。由于工作温度低,除常用模具钢外,合金结构钢甚至低碳钢也可用于制造模具。经中温固体碳氮共渗、淬火、低温回火后,使用效果也很好。常用于制造锌合金压铸模具的材料有:合金结构钢,如40Cr、30CrMnSi、40CrMo等;模具钢5CrNi.Mo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、3Cr2W8V、CrWMn等等。锌合金压铸模具的使用寿命:合金结构钢可达20~30万模次,模具钢可达100万模次。国外锌合金压铸模具水平基本为30~50万模次,部分模次为100万模次。
3 铝合金压铸模具用钢及选用
3.1 铝合金压铸模具的服务条件
铝合金压铸模具的服务条件较为苛刻,铝合金熔液的温度通常在650~700℃左右.以40~180m/s压模腔的速度约为20~120Mpa,保压时间5~20s,每次压力间隔约为20~70s。模具腔表面受到高温高速铝液的反复冲击。产生更大的压力。目前,我国压铸模的故障形式主要是由热疲劳裂纹引起的。随着模具寿命的提高。液体铝合金的溶解和粘附作用将成为模具故障的主要形式。因此,铝合金压铸模具的寿命取决于粘合模具和型腔表面是否开裂两个因素。
3.2 铝合金压铸模具钢的性能要求
根据铝合金压铸模具的服务条件和常见的失效形式,对铝合金压铸模用钢的主要性能要求有:
① 高回火阻力和冷热疲劳阻力。大量连续生产的铝合金压铸模具应在一定温度下长期保持高硬度,不粘合模具,不产生氧化皮肤。因此,模具应具有良好的抗氧化性和回火稳定性。铝合金压铸模具表面反复高温加热冷却,不断膨胀收缩,产生交替热应力。当应力超过模具材料的弹性极限时,会反复发生塑性变形,导致热疲劳。同事,模具表面长期被熔融金属腐蚀氧化,会逐渐产生细裂纹。在大多数情况下,热疲劳是决定压铸模具寿命的最重要因素。
② 强度、硬度、塑性和耐热性。铝合金压铸模具在熔融金属注入时具有高温、高压和热应力,容易变形甚至开裂。因此,模具钢在工作温度下应具有足够的高温强度和韧性,以及高硬度和耐热性。
③ 导热性好。铝合金压铸模具长期处于600~700~C为保证高温下的其他性能。必须具有良好的导热性。
④ 耐熔融金属的损伤。随着压铸机的大型化,压铸压力也在增加,从低压20~30MPa,高压150~500MPa。高温高压铸造可产生明显的熔融损伤,模具应具有较大的阻力。因此,模具材料必须具有较大的高温强度。熔融金属的亲和力较小,表明粗糙度较小,并附有适当的氧化模具、氮化层等保护层,无脱碳层。
⑤ 透性好,热处理变形小。一般压铸模具的制造方法是将退火模具材料雕刻成腔.然后热处理,得到所需要的硬度,或将模具材料先进行热处理,得到需要的硬度,再雕刻型腔。先雕刻型腔后热处理的制造方法,有高的硬度和强度,不易产生熔损与热疲劳。无论用哪一种方法进行热处理,得到均一的硬度是必要的,所以要求淬透性好,特别是先雕刻型腔后进行热处理,要用热处理变形小的材料,这点对于尺寸大的模具尤为重要。
3.3 铝合金压铸模具钢
目前,我国常用的铝合金压铸模钢有4种Cr5MoSiV 1(H13)、4Cr5MoSiV (H11)、3Cr2W8V 及新钢种4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)以及3Cr3Mo3VNd(HM3)等3Cr2W8V万方数据钢具有最佳的回火抗性和热稳定性,耐热性足够高,但由于钨含量高,导热性降低,钢的热膨胀系数也较大。因此,冷热疲劳抗力较差,模具腔表面容易出现冷热疲劳裂纹。Cr5MoSiV1(H13)和4Cr5MoSiV(H11)钢的回火抗力和热稳定性略低于3Cr2W8V但冷热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多。用H13钢铝合金压铸模具的使用寿命远高于3Cr2W8V钢制模具。新钢种4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)钢是4Cr5MoSiV在1钢基础上开发的新型铝合金压铸模钢,4Cr5Mo2MnSiV1 (YIO) 钢除耐热性比3外Cr2W8V除钢稍差外,其他力学性能,如冲击韧性、断裂韧性、热导率、热膨胀系数等物理性能、热处理变形、热疲劳抗力、耐溶性等工艺性能3Cr2W8V钢[2]。铝合金压铸模具的使用寿命可提高1~10倍。近年来,我国开发了马氏体时效钢,抗拉强度达到2.5万Mpa。经820~950,马氏体时效钢是一种含镍、钼、钴、钛的超低碳高合金钢℃固溶,得到高韧性的马氏体组织,此时硬度只有30HRC大约。机器可以加工,然后是500℃左右时效。沉淀弥散的Ni-Ti、Ni-Mo金属间化合物可以将硬度提高到50HRC以上,强度高,韧性高,抗热疲劳性好I生能。马氏体时效钢模具使用寿命极高。如压铸小箱盖,H13钢模具的使用寿命为5000~25000件.模具寿命可达到件,平均寿命提高10倍左右。但由于马氏体时效钢镍含量高,价格昂贵,目前使用较少。
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