鋁鎂合金壓鑄模壽命提高對(duì)策與生產(chǎn)途徑

夏靜

摘 要：鋁鎂合金壓鑄模作為重要的加工工藝裝備，其性能好壞，壽命高低，直接影響到企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。而模具材料與熱處理技術(shù)是影響鋁鎂合金壓鑄模壽命的主要因素。本文通過(guò)分析鋁鎂合金壓鑄模的主要失效形式，簡(jiǎn)要介紹典型模具用鋼和常見(jiàn)熱處理方法，指出合理選用模具材料和熱處理工藝，可以明顯改善模具熱穩(wěn)定性、淬透性、耐磨性、熱疲勞性和導(dǎo)熱性等性能，從而提高模具使用壽命。

關(guān)鍵詞：鋁鎂合金壓鑄模;模具材料;熱處理工藝;使用壽命

1 鋁鎂合金壓鑄模失效形式

鋁鎂合金壓鑄模是在壓鑄機(jī)上用來(lái)壓鑄鋁鎂合金鑄件的成型模具，工作時(shí)型腔表面溫度可達(dá)600℃左右，且熔融的鋁鎂合金液很容易粘附鋼鐵材料，工作時(shí)必須對(duì)模具型腔頻繁地涂抹防粘涂料，由此造成型腔表面溫度的劇烈波動(dòng)，其失效形式主要是粘模、侵蝕、熱疲勞和磨損。當(dāng)模具型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜并存在應(yīng)力集中時(shí)，模具也會(huì)在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的共同作用下出現(xiàn)斷裂失效。

1.1 粘模

鋁鎂合金件與模具表面明對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，某些接觸點(diǎn)局部應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合，粘合的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂而拽開(kāi)，使模具表面材料轉(zhuǎn)移到工件上或脫落。

1.2 侵蝕

當(dāng)模具表面與鋁鎂合金液體接觸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在液體與模具接觸處形成的氣泡破裂產(chǎn)生瞬間的沖擊和高溫，使模具表面形成微小麻點(diǎn)和凹坑。鋁鎂合金液體和固體微小顆粒高速落下，反復(fù)沖擊到模具表面，使局部材料流失，在金屬表面成麻點(diǎn)和凹坑。反復(fù)作用下，?？h表面將萌生疲勞裂紋，甚至造成局部斷裂。

1.3 熱疲勞

模具表面反復(fù)經(jīng)受加熱和冷卻所產(chǎn)生的應(yīng)力引起疲勞，形成龜裂。鋁鎂合金壓鑄模龜裂的主要原因是澆注溫度和模具的預(yù)熱溫度之差，溫差越大冷卻速度越快，則熱疲勞裂紋越容易產(chǎn)生，其次和熱循環(huán)的速度、模具的熱處理工藝和表面處理也有密切的關(guān)系。

1.4 磨損

由于模具表面與被加工高溫鋁鎂合金件之間的摩擦無(wú)法得到潤(rùn)滑，被高溫工件氧化，模腔表層被回火軟化，低硬度又加劇了磨損，嚴(yán)重的磨損使模具無(wú)法加工出合格產(chǎn)品而報(bào)廢失效。

1.5 斷裂

鋁鎂合金壓鑄模在工作中出現(xiàn)較大裂紋或部分分離而喪失正常服役能力的現(xiàn)象稱為斷裂失效。模具斷裂通常表現(xiàn)為產(chǎn)生局部碎塊或整個(gè)模具斷成幾個(gè)部分。

2 鋁鎂合金壓鑄模具用鋼的選用

模具材料的種類(lèi)、化學(xué)成分、金相組織、硬度、韌性、低倍體組織等綜合因素，是導(dǎo)致鋁鎂合金壓鑄模失效的重要原因，惡劣的工作條件要求鋁鎂合金壓鑄模必須具有較高的抗回火穩(wěn)定性和抗冷熱疲勞的性能，具有良好的抗高溫高壓高速液態(tài)鋁鎂合金沖蝕能力和較高的強(qiáng)度與韌性。

2.1 3Cr2W8V（H21）鋼

含有較多的鎢、鉻、釩元素，因而淬透性、回火穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性都較高，適用于高承載力、高熱強(qiáng)性和高回火穩(wěn)定性的壓鑄模。

2.2 4Cr5MoSiV1（H13）鋼

有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能，不容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，即使出現(xiàn)熱疲勞裂紋也較細(xì)且短，不容易擴(kuò)展，使用前無(wú)須預(yù)熱，且可以采用自來(lái)水噴冷，具備較高的熱強(qiáng)性。

2.3 4Cr5Mo2MnSiV1（Y10）鋼

加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右的鉬，輔以釩和泥等元素，以提高熱穩(wěn)定性，加入適量的硅和錳以提高基體強(qiáng)度，具備良好的熱疲勞性能和抗熔融金屬熔蝕性。

2.4 4Cr5MoSiV（H11） 鋼

屬于鎢系熱作模具鋼，在中溫條件下具有很好的韌性，有較好的熱強(qiáng)度、熱疲勞性能和一定的耐磨性，在較低的奧氏體化溫度條件下空淬，熱處理變形小，空淬時(shí)產(chǎn)生氧化皮傾向小，而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。

2.5 3Cr3Mo3VNb（HM3）鋼

一種新型高強(qiáng)韌性熱鍛模具鋼，其在含碳量較低的情況下加入微量元素Nb，提高耐回火性、熱強(qiáng)性，有明顯的回火二次硬化效果，能夠有效地克服模具因熱磨損、熱疲勞、熱裂等引起的早期失效。

2.6 4Cr3Mo3SiV（H10）鋼

在工作溫度500～600℃時(shí)具有更高的硬度，熱強(qiáng)性和耐磨性，且具有非常好的淬透性和很高的韌性，回火抗力及熱穩(wěn)定性高于H13鋼，沖擊韌度及斷裂韌度高于3Cr2W8V鋼，當(dāng)回火溫度超過(guò)260℃時(shí)，鋼的硬度高于H13鋼。

采用高強(qiáng)韌模具材料是提高鋁鎂合金壓鑄模使用性能和延長(zhǎng)模具使用壽命十分重要的措施。如：某模具由3Cr2W8V鋼直接下料加工而成。外形尺寸φ180x85mm，硬度要求42～46HRC，生產(chǎn)使用時(shí)僅能壓鑄249，900件。后改用4Cr3Mo3SiV制造，使用壽命提高到1000.000件。

3 鋁鎂合金壓鑄模熱處理工藝的選用

鋁鎂合金壓鑄模的熱處理就是通過(guò)對(duì)模具鋼的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，使模具獲得所需要的組織和性能，能延長(zhǎng)模具使用壽命。熱處理工藝規(guī)范要根據(jù)模具的材料、模具形狀、尺寸、復(fù)雜程度來(lái)確定。

3.1 預(yù)先熱處理

壓鑄模的預(yù)先熱處理可采用連續(xù)退火、等溫退火和調(diào)質(zhì)熱處理三種工藝，其目的是在最終熱處理前獲得均勻的組織和彌散分布的碳化物以改善鋼的強(qiáng)韌性。連續(xù)退火工藝較為簡(jiǎn)便，也可獲得較好的粒狀珠光體組織。對(duì)形狀復(fù)雜和要求較高的壓鑄模，采用等溫退火可以獲得更理想的粒狀珠光體組織。

3.2 淬火預(yù)熱

壓鑄模具用鋼多為導(dǎo)熱性差的高合金鋼，在淬火加熱時(shí)常常采取預(yù)熱措施，預(yù)熱次數(shù)及溫度的多少，取決于模具鋼的成分和對(duì)模具變形的要求。對(duì)淬火溫度低、形狀簡(jiǎn)單、對(duì)變形要求不高的模具，在不產(chǎn)生開(kāi)裂的情況下，淬火加熱時(shí)要進(jìn)行一次預(yù)熱（800℃～850℃）。對(duì)較高溫度淬火和形狀復(fù)雜、變形要求高的模具，必須二次預(yù)熱（600～650℃、800～850℃），其目的是減少加熱過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)使模具整體的組織均勻。

3.3 淬火加熱

壓鑄模的淬火加熱溫度可根據(jù)各鋼號(hào)的淬火加熱規(guī)范執(zhí)行。如3Cr2W8V鋼淬火溫度1050～1150℃，H13鋼淬火溫度為1020～1100℃。為了保證碳化物充分溶解，獲得成分均勻的奧氏體，并獲得良好的高溫性能，壓鑄模淬火加熱保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，一般在鹽浴爐中加熱保溫系數(shù)取0.8～1.0min/mm。

3.4 淬火冷卻

油淬冷速快，可獲得良好性能，但變形開(kāi)裂的傾向性大。一般對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、變形要求不高的壓鑄模采用油冷;對(duì)于形狀復(fù)雜、變形要求高的壓鑄模，為防止模具變形和開(kāi)裂，宜采用分級(jí)淬火。淬火冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少淬火變形，在真空電阻爐中加熱淬火，冷卻可采取氣淬。在鹽浴滬中加熱淬火，冷卻時(shí)可采取分級(jí)淬火等方法。模具淬火冷卻時(shí)一般冷到150～200℃均熱后應(yīng)立即回火，不允許冷卻到室溫。

3.5 回火

壓鑄模的硬度要求是通過(guò)回火來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而壓鑄模型腔的硬度直接影響到模具的冷熱疲勞壽命。材料不同、淬火溫度不同，回火溫度也是不一樣的。如3Cr2W8V鋼鋁鎂合金壓鑄模的硬度要求一般為42～48HRC，其回火溫度一般在560～620℃之間選擇，但若采用高溫淬火，則回火溫度高達(dá)670℃。1150℃淬火650℃回火后硬度為45HRC;而1050℃淬火650℃回火后硬度為35HRC。

3.6 表面強(qiáng)化處理

壓鑄模在淬火回火后，表面硬度并不是很高。為了使壓鑄模表面獲得很高的

硬度及耐磨性，而心部仍保持有足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也為了提高鋁鎂合金壓鑄模的防粘模性能，可對(duì)壓鑄模進(jìn)行表面滲氮或氮碳共滲處理。

采用強(qiáng)韌化處理及表面強(qiáng)化處理工藝，是提高模具性能和壽命的重要途徑。如H13壓鑄模氮碳共滲熱處理介質(zhì)為氨氣+乙醇，工藝為580℃x4.5h。經(jīng)1030℃淬火600℃回火再經(jīng)580氣體氮碳共滲熱處理后，模具表面硬度達(dá)900HV以上，基體硬度46～48HRC，模具的耐磨性、抗疲勞性、耐蝕性等有很大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁鎂合金壓鑄模生產(chǎn)中要根據(jù)模具工作條件，分析研究失效原因，正確選擇模具材料，合理制訂熱處理工藝，保證模具表面硬度、耐磨性和心部強(qiáng)度、韌性，防止金屬液體侵蝕、粘模，有效降低廢品率，顯著提高模具使用壽命。生產(chǎn)實(shí)踐證明，把鋁鎂合金壓鑄模預(yù)熱到有效、經(jīng)濟(jì)的溫度下工作，可減少模具和工件間的溫度差，減少模具裂紋的產(chǎn)生，延長(zhǎng)模具的使用壽命，并提高生產(chǎn)率。當(dāng)然，鋁鎂合金壓鑄模在使用過(guò)程中，正確的使用、合理的管理、精心的維護(hù)也是減少模具早期斷裂失效、提高模具使用壽命的有效措施。

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