鋁合金壓鑄模

1、鋁合金壓鑄模組員：陳銘彬 黃華 劉登英 李伊 梁進(jìn)培 蔣先友 前言 此次我們小組選擇的實驗項目是鋁合金壓鑄模的選材及鋁合金壓鑄模的選材及制定熱處理工藝制定熱處理工藝 流程：流程： 1.查閱資料分析鋁合金壓鑄模工作狀態(tài)查閱資料分析鋁合金壓鑄模工作狀態(tài) 2.比較分析幾種適合材料，選定最佳材料比較分析幾種適合材料，選定最佳材料 3.設(shè)計制定預(yù)備、最終熱處理工藝設(shè)計制定預(yù)備、最終熱處理工藝這次講解分主要分兩部分 第一部分：進(jìn)行鋁合金壓鑄模的材料第一部分：進(jìn)行鋁合金壓鑄模的材料選擇選擇 第二部分：根據(jù)鋁合金壓鑄模的性能第二部分：根據(jù)鋁合金壓鑄模的性能要求對熱處理工藝進(jìn)行設(shè)計要求對熱處理工藝進(jìn)行設(shè)計鋁合金

2、壓鑄模工作條件 高壓高壓熱作模具在工作時承受巨大的沖擊力、壓熱作模具在工作時承受巨大的沖擊力、壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。（金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結(jié)晶凝固，常見的壓力為15100MPa，高速充填型腔，通常在1050米/秒，有的還可超過80米/秒） 高溫高溫模具型腔與高溫（模具型腔與高溫（高達(dá)高達(dá)11501200）金屬接觸后，本身溫度可達(dá)金屬接觸后，本身溫度可達(dá)400，局部高，局部高達(dá)達(dá)600。 疲勞疲勞模具模具經(jīng)常經(jīng)常反復(fù)冷卻，型腔表面容易反復(fù)冷卻，型腔表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋產(chǎn)生疲勞裂紋。 磨損磨損此外，熾熱此外，熾熱金屬在型金屬在型腔中變形摩擦腔中變

3、形摩擦型腔，使模具精度降低型腔，使模具精度降低。性能要求 要求具有足夠熱強(qiáng)性、熱疲勞性、韌性、熱強(qiáng)性、熱疲勞性、韌性、高硬度、良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性高硬度、良好的導(dǎo)熱性、耐蝕性，還要求有較高的淬透性淬透性，保證整個截面具有一致的力學(xué)性能。材料選擇 熱作模具鋼的w（c）一般在0.30.6%，含碳量過高時，鋼的韌性和塑性下降，導(dǎo)熱性較差；含碳量過低時，硬度和耐磨性達(dá)不到要求。熱作模具鋼中一般加入Cr、Mn、Ni、Si等元素以強(qiáng)化鐵素體基體，提高鋼的淬透性強(qiáng)度和韌性，Ni還能改善熱疲勞抗力，為了細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度和硬度、回火穩(wěn)定性，防止回火脆性，還加入Ni、Mo、V等元素。此外，Ni、Mo、V等元素在回

4、火時以碳化物的形式析出產(chǎn)生二次硬化，使熱作模具鋼在較高溫度下仍能保持較高的強(qiáng)度。 一般把可用作熱作模具鋼的3種鋼材： （1）高韌性熱作模具鋼高韌性熱作模具鋼 5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoVSi(H11)等，適宜制作一般的鍛造模具； （2）高熱強(qiáng)鋼高熱強(qiáng)鋼 3Cr2W8V、Y4、Y10、以及基體鋼5Cr4Mo2W2SiV等，宜用作熱擠壓模、壓鑄模等； （3）強(qiáng)韌兼?zhèn)涞臒嶙髂＞咪搹?qiáng)韌兼?zhèn)涞臒嶙髂＞咪?4Cr5MoV1Si(H13)、HM3、4Cr5W2SiV等，宜用作熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等、高速鍛模。 此次我們選擇的材料是4Cr5MoSiV1 (H13)使用性能：H13鋼有較高

5、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)了熱疲勞裂紋也細(xì)而且短，不容易擴(kuò)展，因此用其制作的模具生產(chǎn)的壓鑄件外觀質(zhì)量有很大的提高。模具在使用前無須預(yù)熱，而且可以采用自來水噴冷，以抑制模具的升溫，減輕了操作工人的勞動強(qiáng)度。該鋼材同時具備較高的熱強(qiáng)性，是一種強(qiáng)韌兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)廉價鋼種，既可用作熱鍛模材料，也可在模腔升溫低于600的工況下用作壓鑄模材料。 H13鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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% Ni0.25% V：0.80%1.20% P0.03% S0.

6、03%H13鋼的物理性能、力學(xué)性能如下： 線膨脹系數(shù)l：11.510-6/,(22500)； 12.210-6/,(22800)； 熱導(dǎo)率：28.4W/(mK) (800)； 密度：7.8g/cm3 ,(20)；7.7g/cm3 ,(400)； 臨界點(diǎn)：Ac1 860；Ac3 915；Ar1 775；Ar3 815； Ms 340。 熱處理工藝設(shè)計 下料 鍛造 球化退火 粗加工 穩(wěn)定處理 精加工 淬火 兩次回火 鉗修 打磨 滲碳或滲氮 1 鍛造鍛造經(jīng)下料后須鍛造成毛坯件，而不是將原料直接進(jìn)行機(jī)加工成毛坯件，一方面減少材料的損耗，節(jié)約材料：另一方面，經(jīng)鍛造后，鋼發(fā)生塑性變形，晶胞拉伸，成形變胞，

7、沿流線方向的抗拉強(qiáng)度大，有利于提高毛坯件的強(qiáng)度。首先對型材進(jìn)行加熱，加熱溫度11001160，始鍛溫度10601150，以保證鍛造過程中鋼處于奧氏體狀態(tài)，可塑性強(qiáng)，終鍛溫度800。2 球化退火球化退火加熱保溫時間和等溫時間由模具材料、尺寸及加熱設(shè)備類型而定，模具退火一般采用箱式爐，加熱保溫時間按照模具有效厚度計算，加熱系數(shù)12minmm。原始組織的好壞對模具鋼的韌性和冷熱疲勞性能有很大的影響，為改善熱作模具鋼的強(qiáng)韌性配合，對于性能要求比較高的模具，可采用預(yù)調(diào)質(zhì)處理或者采用淬火加高溫回火或退火相結(jié)合的方法，以獲得細(xì)小的珠光體和細(xì)小彌散分布的碳化物組織，為最終熱處理提供很均勻的組織，從而使得最終熱

8、處理后能達(dá)到優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合。在等溫球化退火工藝的制定過程中，奧氏體化溫度及等溫轉(zhuǎn)變溫度十分重要。奧氏體化溫度較高時，未溶碳化物數(shù)量較少，奧氏體晶粒較大，而且其中的碳含量的分布也比較均勻，因而有利于球化過程的進(jìn)行。等溫轉(zhuǎn)變溫度較低時，碳（及合金元素）在奧氏體中擴(kuò)散較困難，也不利于球化過程的進(jìn)行。只有當(dāng)奧氏體溫度較低，等溫轉(zhuǎn)變溫度較高的處理規(guī)程下，才能得到球化組織。等溫球化退火規(guī)范：首先毛坯入爐，隨爐升溫緩慢加熱，加熱至Ac1+（2030），保溫34h，經(jīng)查表，H13鋼的Ac1為860，故升溫加熱至880890并保溫34h；然后隨爐緩冷至Ar1-（2030）保溫45h，經(jīng)查表H13鋼的Ar1為7

9、75，故升溫加熱至745755并保溫45h；然后再隨爐緩冷至550，空冷至室溫。經(jīng)硬度檢測，硬度可達(dá)229HBW，共晶碳化物等級3級。如果鋼中的原始組織網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重，則需要加熱到略高于Acm的溫度，使碳化物網(wǎng)溶入奧氏體，然后再較快地冷卻到Ar1一下溫度進(jìn)行等溫球化退火。經(jīng)過球化退火，可使可切削性能大大提高；在淬火時，溶入奧氏體的碳化物較均勻；淬火開裂和淬火變形減輕；而韌性有所增加等等多方面有所改善。 3 淬火淬火熱擠壓模具鋼的淬火工藝過程包括預(yù)熱、解熱、保溫、冷卻和均熱。由于這類鋼合金 元素含量較高，鋼的導(dǎo)熱性較差，所以在對鋼進(jìn)行加熱時必須嚴(yán)格控制加熱速度。1）預(yù)熱在空氣介質(zhì)加熱爐中加熱時

10、可以控制加熱速度，使其以很緩慢的速度進(jìn)行升溫，在鹽浴爐中想控制其加熱速度是很困難的，因此必須采取預(yù)熱的方法。預(yù)熱次數(shù)的多少取決于鋼的成分和模具變形的要求：對于般要求變形不嚴(yán)格的模具，在不開裂的情況下預(yù)熱次數(shù)可適當(dāng)少些，但對于變形要求嚴(yán)格的模具必須多次預(yù)熱。在較低的溫度預(yù)熱一般是在空氣介質(zhì)加熱爐中進(jìn)行的，兩段預(yù)熱的加熱速度必須緩慢進(jìn)行，一般3060/min。因為鋼在這個溫度范圍處于彈性狀態(tài)，內(nèi)外溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力一旦超過彈性極限就會開裂。當(dāng)鋼的溫度高于650開始轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時，鋼將產(chǎn)生塑性變形，從而使內(nèi)應(yīng)力下降，因此此時加熱速度可適當(dāng)快些（80100/min），當(dāng)然對于變形

11、要求嚴(yán)格的模具來書，這一段時間的加熱速度仍然不必過快。綜合以上因素考慮，對于該模具使用的H13鋼選擇550、850兩個溫度進(jìn)行預(yù)熱。 2）淬火加熱溫度 淬火加熱溫度取決于鋼的成分和使用要求，對于同一種鋼來說，當(dāng)要求有較高的韌性時，往往采用較低的溫度淬火；當(dāng)要求較好的高溫強(qiáng)度時，則采用較高的淬火溫度。 對于該模具選擇淬火加熱溫度10201050，屬于完全淬火，該加熱溫度使鋼完全奧氏體化。淬火加熱為了保證模具表面不脫碳，需采用脫氧保護(hù)良好的氯化鋇鹽浴爐中進(jìn)行加熱。 3）淬火保溫時間 淬火保溫時間應(yīng)保證使鋼的原始組織能夠全部形成奧氏體，同時還必須保證碳化物能夠充分溶解，設(shè)溶解后 含碳量和合金元素能夠

12、充分地擴(kuò)散，從而達(dá)到奧氏體均勻化 。這樣，保證熱作模具剛具有較好的高溫性能，這一點(diǎn)非常重要。所以，一般熱作模具鋼的淬火保溫時間較長，在鹽浴爐中加熱淬火保溫時間系數(shù)一般是0.51min/mm，模具尺寸小，系數(shù)取上限。 4）冷卻 冷卻以大于鋼臨界冷速的冷卻速度冷卻到室溫。中耐熱韌性模具鋼由于淬透性很高，一般可采用油冷或空冷，對于變形較小的模具也可采用在500600等溫后空冷，冷卻介質(zhì)的選擇必須考慮到對性能的要求，同時為使冷卻時熱應(yīng)力盡量下，故盡可能地選擇冷卻能力較低的介質(zhì)。對于該模具可選擇油作為淬火介質(zhì)。 5）均熱中耐熱韌性模具鋼的熱應(yīng)力較大，為防止開裂和變形，絕對不允許冷卻到室溫，一般冷到150

13、180，均熱后應(yīng)立即回火，均熱時間可按照0.6min/mm計算。淬火后，鋼獲得馬氏體組織，強(qiáng)度、硬度均有所提高，冷卻后硬度為5760HRC。4 回火回火 回火的目的就是使模具達(dá)到一定的硬度和韌性，并消除淬火應(yīng)力。為保證在使用中的組織穩(wěn)定性和內(nèi)應(yīng)力盡可能小，揮回火時間必須充分，一般回火時間可按3min/mm。但最少不低于2h。 對于二次硬化熱作模具鋼，淬火后組織中存在一定量的殘余奧氏體，第一次回火后，在冷卻過程中，這些殘余奧氏體基本上轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的等溫產(chǎn)物，這些產(chǎn)物較脆，往往會成為開裂的根源，故必須進(jìn)行第二次回火，有時為了使用上的要求也可進(jìn)行第三次回火。 一般來說，第一次回火溫度根據(jù)回火溫度與硬度

14、關(guān)系曲線的硬度要求而定，第二次回火溫度比第一次低20，但是有些情況下第一次回火溫度也可采用較低的溫度，然后根據(jù)第一次回火后的硬度來選擇第二次的回火溫度，以期達(dá)到所需硬度。 對于該模具鋼采取的是高溫回火，第一次回火溫度600，第二次可略低，取580。由于鋼中含有一定量的Cr、Mn、Ni，或者Ni少量時Cr、Mn共存的條件下，高溫回火（尤其是在500600之間進(jìn)行時）極易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的第二類回火脆性，應(yīng)在回火后采用快速冷卻的方式（油冷或水冷）以避免之。如果鋼中的Mo的含量適當(dāng)提高，鋼的回火脆性敏感性大大減小，高溫回火后可以緩冷（空冷）。經(jīng)兩次高溫回火后獲得的組織是回火屈氏體，并且 殘余奧氏體的含量

15、極少可以忽略不計，鋼回火后的性能大大提高，強(qiáng)度、硬度有所下降，塑性韌性較淬火后明顯提高?；鼗鸷笥捕瓤蛇_(dá)4749HRC。5 表面處理表面處理模具經(jīng)鍛造、球化退火、機(jī)加工、淬火、兩次回火后，其力學(xué)性能基本已達(dá)到要求，但是，一方面，由于模具在高溫金屬液流動的反復(fù)摩擦下會出現(xiàn)摩擦磨損，影響模具的精度，進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面光潔度以及產(chǎn)品的精度，所以在以上熱處理基礎(chǔ)上還需要對模具進(jìn)行表面處理，尤其是型腔表面，需要提高其耐磨性，以保證模具在長時間使用下的表面精度；另一方面，高溫的鋁合金金屬液在凝固后脫模時極易粘附在型腔表面造成鑄件表面劃傷，影響光潔度以及尺寸精度，為了防止鋁合金鑄件的粘附，不得不頻繁涂抹涂

16、料，使型腔表面溫度降得過低，這對模具的熱疲勞壽命和表面質(zhì)量均有不良影響，然而對表面進(jìn)行處理可防止鋁合金粘模。對模具常用的提高表面耐磨性的表面處理工藝有滲碳、滲氮、碳氮共滲等等。該模具采用的是碳氮共滲，使用低溫碳氮共滲（軟氮化）進(jìn)行處理。低溫碳氮共滲是在500700的溫度區(qū)間對工件表面滲入碳氮原子的化學(xué)熱處理工藝，可在氣體、液體、固體介質(zhì)中進(jìn)行。滲層與滲氮時相近，而工藝周期較短。低溫碳氮共滲的滲層深度常在0.5mm一下，其中外表面的化合物層為0.010.02mm，大部分是Fe3（C、N）及Fe4N，幾乎沒有脆性的Fe2N。擴(kuò)散層為Fe4N及氮在相中的固溶體。碳氮共滲介質(zhì)選用的是NH3、N2、CO

17、2氨基氣氛為介質(zhì)，進(jìn)行低溫氣體碳氮共滲。介質(zhì)成分為（NH3）50%、（N2）45%、（CO2）5%，選用井式爐進(jìn)行碳氮共滲，介質(zhì)的供給量約為每小時45倍爐膛體積。氨氣的分解率為50%80%。共滲溫度控制在570580，溫度過高工件表面易出現(xiàn)疏松缺陷，共滲時間約為23小時。碳氮共滲后經(jīng)檢測工件的心部硬度約為4051HRC，表面硬度10001200HV，化合物深度約為68m，總滲層深度0.20.3mm。材料選擇熱處理工藝鋁合金壓鑄模的失效分析 （1）熱疲勞龜裂經(jīng)模具解剖的熱穩(wěn)定曲線與熱疲勞試樣剖面上硬度的變化，測得模具型面溫度，澆口處750800、型腔700750，高溫急熱使模面產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力，壓

18、縮前在型腔噴涂潤滑劑急冷，使型面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生冷熱交變應(yīng)力超過模面屈服強(qiáng)度時，便在工作型面產(chǎn)生熱微細(xì)裂紋，俗稱熱疲勞龜裂。若壓鑄模鋼純度不高，含有氣體、雜質(zhì)超標(biāo)、成分偏析碳化物不均勻等將急劇降低鋼的熱疲勞壽命，成為熱疲勞裂紋源。 （2）熔損沖蝕壓鑄時熔融鋁液在高溫、高壓下，高速沖擊和碰撞型腔，在交變應(yīng)力反復(fù)作用下，導(dǎo)致點(diǎn)蝕、與熔損麻坑。機(jī)械沖蝕主要是磨蝕和氣蝕。磨蝕是因合金含有不均勻相熔融鋁合金流過型腔引起，鋁液約在720時與模具鋼型腔起化學(xué)反應(yīng)；氣蝕是因鋁液氣泡逸出與型面化學(xué)成分變化由氧化、脫碳及鋁液粘著型面引起。當(dāng)用焊槍去除模面粘結(jié)鋁液時，因模面局部受熱升溫，形成回火過渡區(qū)，產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致熱裂，因熱疲勞抗力急劇降低，會引起應(yīng)力腐蝕。 （3）崩塊和斷裂當(dāng)壓鑄模鋼基體有較多塊狀、網(wǎng)狀、帶狀、鏈狀和堆集狀碳化物及非金屬夾雜物，服役時在外力作用下將引起大的應(yīng)力集中；因模具設(shè)計不良，有尖角銳邊、刀痕、磨痕、劃痕、碰傷及加工表面粗糙等，在淬火或模具服役時均會引起嚴(yán)重應(yīng)力集中；因模塊未經(jīng)充分預(yù)處理，原始組織粗大，應(yīng)力未消除；或控溫儀表失靈，模具加熱溫度偏高