铝合金压铸模

铝合金压铸模组员：陈铭彬黄华刘登英李伊梁进培蒋先友

前言此次我们小组选择的实验项目是—铝合金压铸模的选材及制定热处理工艺流程：1.查阅资料分析铝合金压铸模工作状态

2.比较分析几种适合材料，选定最佳材料

3.设计制定预备、最终热处理工艺这次讲解分主要分两部分

第一部分：进行铝合金压铸模的材料选择第二部分：根据铝合金压铸模的性能要求对热处理工艺进行设计铝合金压铸模工作条件高压—热作模具在工作时承受巨大的冲击力、压应力、张应力、弯曲应力。（金属液是在压力下填充型腔的，并在更高的压力下结晶凝固，常见的压力为15—100MPa，高速充填型腔，通常在10—50米/秒，有的还可超过80米/秒）高温—模具型腔与高温（高达1150~1200℃）金属接触后，本身温度可达400℃，局部高达600℃。疲劳—模具经常反复冷却，型腔表面容易产生疲劳裂纹。磨损—此外，炽热金属在型腔中变形摩擦型腔，使模具精度降低。性能要求要求具有足够热强性、热疲劳性、韧性、高硬度、良好的导热性、耐蚀性，还要求有较高的淬透性，保证整个截面具有一致的力学性能。材料选择热作模具钢的w（c）一般在0.3～0.6%，含碳量过高时，钢的韧性和塑性下降，导热性较差；含碳量过低时，硬度和耐磨性达不到要求。热作模具钢中一般加入Cr、Mn、Ni、Si等元素以强化铁素体基体，提高钢的淬透性强度和韧性，Ni还能改善热疲劳抗力，为了细化晶粒提高强度和硬度、回火稳定性，防止回火脆性，还加入Ni、Mo、V等元素。此外，Ni、Mo、V等元素在回火时以碳化物的形式析出产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍能保持较高的强度。一般把可用作热作模具钢的3种钢材：（1）高韧性热作模具钢

5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoVSi(H11)等，适宜制作一般的锻造模具；（2）高热强钢3Cr2W8V、Y4、Y10、以及基体钢5Cr4Mo2W2SiV等，宜用作热挤压模、压铸模等；（3）强韧兼备的热作模具钢

4Cr5MoV1Si(H13)、HM3、4Cr5W2SiV等，宜用作热锻模、热挤压模、压铸模等、高速锻模。此次我们选择的材料是4Cr5MoSiV1(H13)使用性能：

H13钢有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，即使出现了热疲劳裂纹也细而且短，不容易扩展，因此用其制作的模具生产的压铸件外观质量有很大的提高。模具在使用前无须预热，而且可以采用自来水喷冷，以抑制模具的升温，减轻了操作工人的劳动强度。该钢材同时具备较高的热强性，是一种强韧兼备的优质廉价钢种，既可用作热锻模材料，也可在模腔升温低于600℃的工况下用作压铸模材料。

H13钢的化学成分（质量分数）如下：C：0.32%～0.45%

Si：0.80%～1.20%Mn：0.20%～0.50%

Cr：4.75%～5.50%

Mo：1.10%～1.7-5%Ni≤0.25%V：0.80%～1.20%

P≤0.03%

S≤0.03%H13钢的物理性能、力学性能如下：线膨胀系数αl：11.5×10-6/℃,(22～500℃)；12.2×10-6/℃,(22～800℃)；热导率λ：28.4W/(m·K)(800℃)；密度ρ：7.8g/cm3,(20℃)；7.7g/cm3,(400℃)；临界点：Ac1860℃；Ac3915℃；Ar1775℃；Ar3815℃；Ms

340℃。热处理工艺设计下料

锻造

球化退火

粗加工

稳定处理

精加工

淬火

两次回火

钳修

打磨

渗碳或渗氮1锻造

经下料后须锻造成毛坯件，而不是将原料直接进行机加工成毛坯件，一方面减少材料的损耗，节约材料：另一方面，经锻造后，钢发生塑性变形，晶胞拉伸，成形变胞，沿流线方向的抗拉强度大，有利于提高毛坯件的强度。

首先对型材进行加热，加热温度1100～1160℃，始锻温度1060～1150℃，以保证锻造过程中钢处于奥氏体状态，可塑性强，终锻温度≥800℃。2球化退火加热保温时间和等温时间由模具材料、尺寸及加热设备类型而定，模具退火一般采用箱式炉，加热保温时间按照模具有效厚度计算，加热系数1～2min\mm。原始组织的好坏对模具钢的韧性和冷热疲劳性能有很大的影响，为改善热作模具钢的强韧性配合，对于性能要求比较高的模具，可采用预调质处理或者采用淬火加高温回火或退火相结合的方法，以获得细小的珠光体和细小弥散分布的碳化物组织，为最终热处理提供很均匀的组织，从而使得最终热处理后能达到优良的强韧性配合。在等温球化退火工艺的制定过程中，奥氏体化温度及等温转变温度十分重要。奥氏体化温度较高时，未溶碳化物数量较少，奥氏体晶粒较大，而且其中的碳含量的分布也比较均匀，因而有利于球化过程的进行。等温转变温度较低时，碳（及合金元素）在奥氏体中扩散较困难，也不利于球化过程的进行。只有当奥氏体温度较低，等温转变温度较高的处理规程下，才能得到球化组织。

等温球化退火规范：首先毛坯入炉，随炉升温缓慢加热，加热至Ac1+（20～30℃），保温3～4h，经查表，H13钢的Ac1为860℃，故升温加热至880℃～890℃并保温3～4h；然后随炉缓冷至Ar1-（20～30℃）保温4～5h，经查表H13钢的Ar1为775℃，故升温加热至745℃～755℃并保温4～5h；然后再随炉缓冷至550℃，空冷至室温。经硬度检测，硬度可达229HBW，共晶碳化物等级≤3级。如果钢中的原始组织网状碳化物较严重，则需要加热到略高于Acm的温度，使碳化物网溶入奥氏体，然后再较快地冷却到Ar1一下温度进行等温球化退火。

经过球化退火，可使可切削性能大大提高；在淬火时，溶入奥氏体的碳化物较均匀；淬火开裂和淬火变形减轻；而韧性有所增加等等多方面有所改善。3淬火

热挤压模具钢的淬火工艺过程包括预热、解热、保温、冷却和均热。由于这类钢合金元素含量较高，钢的导热性较差，所以在对钢进行加热时必须严格控制加热速度。1）预热在空气介质加热炉中加热时可以控制加热速度，使其以很缓慢的速度进行升温，在盐浴炉中想控制其加热速度是很困难的，因此必须采取预热的方法。预热次数的多少取决于钢的成分和模具变形的要求：对于般要求变形不严格的模具，在不开裂的情况下预热次数可适当少些，但对于变形要求严格的模具必须多次预热。在较低的温度预热一般是在空气介质加热炉中进行的，两段预热的加热速度必须缓慢进行，一般≤30～60℃/min。因为钢在这个温度范围处于弹性状态，内外温差所产生的热应力一旦超过弹性极限就会开裂。当钢的温度高于650℃开始转入塑性状态，当热应力达到一定数值时，钢将产生塑性变形，从而使内应力下降，因此此时加热速度可适当快些（≤80～100℃/min），当然对于变形要求严格的模具来书，这一段时间的加热速度仍然不必过快。综合以上因素考虑，对于该模具使用的H13钢选择550℃、850℃两个温度进行预热。2）淬火加热温度淬火加热温度取决于钢的成分和使用要求，对于同一种钢来说，当要求有较高的韧性时，往往采用较低的温度淬火；当要求较好的高温强度时，则采用较高的淬火温度。对于该模具选择淬火加热温度1020～1050℃，属于完全淬火，该加热温度使钢完全奥氏体化。淬火加热为了保证模具表面不脱碳，需采用脱氧保护良好的氯化钡盐浴炉中进行加热。3）淬火保温时间淬火保温时间应保证使钢的原始组织能够全部形成奥氏体，同时还必须保证碳化物能够充分溶解，设溶解后含碳量和合金元素能够充分地扩散，从而达到奥氏体均匀化。这样，保证热作模具刚具有较好的高温性能，这一点非常重要。所以，一般热作模具钢的淬火保温时间较长，在盐浴炉中加热淬火保温时间系数一般是0.5～1min/mm，模具尺寸小，系数取上限。4）冷却冷却以大于钢临界冷速的冷却速度冷却到室温。中耐热韧性模具钢由于淬透性很高，一般可采用油冷或空冷，对于变形较小的模具也可采用在500～600℃等温后空冷，冷却介质的选择必须考虑到对性能的要求，同时为使冷却时热应力尽量下，故尽可能地选择冷却能力较低的介质。对于该模具可选择油作为淬火介质。5）均热

中耐热韧性模具钢的热应力较大，为防止开裂和变形，绝对不允许冷却到室温，一般冷到150～180℃，均热后应立即回火，均热时间可按照0.6min/mm计算。

淬火后，钢获得马氏体组织，强度、硬度均有所提高，冷却后硬度为57～60HRC。4回火

回火的目的就是使模具达到一定的硬度和韧性，并消除淬火应力。为保证在使用中的组织稳定性和内应力尽可能小，挥回火时间必须充分，一般回火时间可按3min/mm。但最少不低于2h。对于二次硬化热作模具钢，淬火后组织中存在一定量的残余奥氏体，第一次回火后，在冷却过程中，这些残余奥氏体基本上转变为相应的等温产物，这些产物较脆，往往会成为开裂的根源，故必须进行第二次回火，有时为了使用上的要求也可进行第三次回火。一般来说，第一次回火温度根据回火温度与硬度关系曲线的硬度要求而定，第二次回火温度比第一次低20℃，但是有些情况下第一次回火温度也可采用较低的温度，然后根据第一次回火后的硬度来选择第二次的回火温度，以期达到所需硬度。对于该模具钢采取的是高温回火，第一次回火温度600℃，第二次可略低，取580℃。由于钢中含有一定量的Cr、Mn、Ni，或者Ni少量时Cr、Mn共存的条件下，高温回火（尤其是在500～600℃之间进行时）极易出现比较严重的第二类回火脆性，应在回火后采用快速冷却的方式（油冷或水冷）以避免之。如果钢中的Mo的含量适当提高，钢的回火脆性敏感性大大减小，高温回火后可以缓冷（空冷）。

经两次高温回火后获得的组织是回火屈氏体，并且残余奥氏体的含量极少可以忽略不计，钢回火后的性能大大提高，强度、硬度有所下降，塑性韧性较淬火后明显提高。回火后硬度可达47～49HRC。5表面处理

模具经锻造、球化退火、机加工、淬火、两次回火后，其力学性能基本已达到要求，但是，一方面，由于模具在高温金属液流动的反复摩擦下会出现摩擦磨损，影响模具的精度，进而严重影响产品的表面光洁度以及产品的精度，所以在以上热处理基础上还需要对模具进行表面处理，尤其是型腔表面，需要提高其耐磨性，以保证模具在长时间使用下的表面精度；另一方面，高温的铝合金金属液在凝固后脱模时极易粘附在型腔表面造成铸件表面划伤，影响光洁度以及尺寸精度，为了防止铝合金铸件的粘附，不得不频繁涂抹涂料，使型腔表面温度降得过低，这对模具的热疲劳寿命和表面质量均有不良影响，然而对表面进行处理可防止铝合金粘模。对模具常用的提高表面耐磨性的表面处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗等等。

该模具采用的是碳氮共渗，使用低温碳氮共渗（软氮化）进行处理。低温碳氮共渗是在500～700℃的温度区间对工件表面渗入碳氮原子的化学热处理工艺，可在气体、液体、固体介质中进行。渗层与渗氮时相近，而工艺周期较短。低温碳氮共渗的渗层深度常在0.5mm一下，其中外表面的化合物层为0.01～0.02mm，大部分是Fe3（C、N）及Fe4N，几乎没有脆性的Fe2N。扩散层为Fe4N及氮在α相中的固溶体。

碳氮共渗介质选用的是NH3、N2、CO2氨基气氛为介质，进行低温气体碳氮共渗。介质成分为ω（NH3）50%、ω（N2）45%、ω（CO2）5%，选用井式炉进行碳氮共渗，介质的供给量约为每小时4～5倍炉膛体积。氨气的分解率为50%～80%。共渗温度控制在570～580℃，温度过高工件表面易出现疏松缺陷，共渗时间约为2～3小时。

碳氮共渗后经检测工件的心部硬度约为40～51HRC，表面硬度1000～1200HV，化合物深度约为6～8μm，总渗层深度0.2～0.3mm。材料选择热处理工艺铝合金压铸模的失效分析（1）热疲劳龟裂——经模具解剖的热稳定曲线与热疲劳试样剖面上硬度的变化，测得模具型面温度，浇口处750℃~800℃、型腔700℃~750℃，高温急热使模面产生压缩热应力，压缩前在型腔喷涂润滑剂急冷，使型面产生拉应力。当产生冷热交变应力超过模面屈服强度时，便在工作型面产生热微细裂纹，俗称热疲劳龟裂。若压铸模钢纯度不高，含有气体、杂质超标、成分偏析碳化物不均匀等将急剧降低钢的热疲劳寿命，成为热疲劳裂纹源。

（2）熔损冲蚀——压铸时熔融铝液在高温、高压下，高速冲击和碰