锌合金压铸模热处理工艺设计说明书

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1、锌合金压铸模热处理工艺设计材料与化工学院080305108 李瑞关键词：热作模具钢， H13 ，热处理，温度，时间。引言：压铸模生产效率高，能压铸形状复杂、尺寸精确、轮廓清晰、表面质量及强度、硬度都较高的压铸件，故应用较广，发展较快。目前，铝合金压铸件产量最多。铝合金压铸模的失效形式主要是热疲劳(龟裂) 、侵蚀、磨损、变形和开裂等 1 。压铸模的工作条件较为苛刻，在生产过程中，其型腔直接与高温、高压、高速的金属液相接触， 工作环境非常恶劣， 不断受到金属液的冲刷、磨损、高温氧化和各种腐蚀，因而压铸模的使用寿命不高，与国外相比，也有较大差距，使用寿命仅为国外同类模具的1/5 1/3 。压铸模的制

2、造成本占产品成本的15% 20%2，因此，提高压铸模的使用寿命是许多企业共同关注的技术课题。压铸模材料对其热疲劳寿命的影响极大，一般要求应具有较高的耐热疲劳、耐磨性、耐蚀性、冲击韧度、红硬性和良好的脱模性能等。1. 锌合金压铸模的使用性能及要求压铸模寿命与压铸模的材料密切相关。一方面受到金属液的直接冲刷磨损，高温氧化和各种腐蚀，另一方面由于生产的高效率，模具温度的升高和降低非常剧烈，并形成周期性的变化。因此，压铸模的工作环境十分恶劣。其使用性能的要求如下：a 具有良好的可锻性和切削性；b 高温下具有较高的红硬性，高温强度，抗回火稳定性和冲击韧度；c 具有良好的导热性和抗疲劳性；d 具有足够的高

3、温抗氧化性；e 热膨胀系数小；f 具有高扽耐磨性和耐蚀性；g 具有良好的淬透性和较小的热处理变形率。2. 选材(选用H13 钢) 我国锌合金压铸模多年来一直用3Cr2W8V 钢制造，它具有良好的高温强度和热硬性，但热硬姓和热疲劳抗力较差， 使这种钢在制造时过早出现热疲劳裂纹并很快扩展影响产品质量和模具使用寿命。4Cr5MoSiV(H13) 具有较高的热强性和热硬性，有相当高的韧性和耐冷热疲劳性，不易产生热疲劳裂纹，用其制作的模具使用寿命有较大提高。使用温度不超过 600oC时寿命远高于 3Cr2W8V, 应选用 4Cr5MoSiV(H13)钢，目前可以直接供应一定尺寸 H13 退火模坏，硬度为

4、 192-229HB 。3.1 H13 优质热作模具钢4Cr5MoSiV1 钢是一种新型热作模具钢，与国内传统热作模具钢3Cr2W8V 相比，具有较高韧性、较好的抗冷热疲劳性，应用于压铸模、热挤压模上寿命显著提高，因而得到广泛使用。但该钢只进行淬火、回火处理尚不能充分提高模具寿命。 为了提高 4Cr5MoSiV1 钢制模具的使用寿命，国内外学者进行了许多研究和探索，文献 3 介绍的气体渗氮工艺，可靠性好、实用性强，可以提高模具寿命 12倍，但存在渗速低、工艺周期长等问题。文献4 介绍的盐浴法碳氮钒共渗，渗速高，可提高模具寿命12 倍，但所采用的活性盐易挥发，所挥发的蒸气具毒性和腐蚀性，损害操作

5、人员的身心健康，而且清洗工作量大，劳动强度大。本文采用“锻热调质预处理+去应力退火 +真空高压气体淬火+三次高温回火” 复合强化工艺对 4Cr5MoSiV1 钢进行热处理强化工艺研究。3.2 H13 钢的化学成分分析H13钢是C-Cr-Mo-Si-V 型钢,在世界上的应用极其普遍, 同时各国许多学者对它进行了广泛的研究 , 并在探究化学成分的改进。 钢的应用广泛和具有优良的特性, 主要由钢的化学成分决定的。 当然钢中杂质元素必须降低, 有资料表明 ,当Rm 在1550MPa 时, 材料含硫量由0.005%降到 0.003%, 会使冲击韧度提高约13J。十分明显 ,NADCA 207-2003

6、标准就规定 : 优级(premium)H13钢含硫量小于0.005%,而超级 (superior)的应小于 0.003%S 和 0.015%P。下面对 H13 钢的成分加以分析。 H13 钢有大、中、小三种尺寸，H13 钢化学成分如表 1 表1 实验用优质压铸模具钢 H13 的化学成分 % 模具尺寸 C Si Mn Cr Mo V S 小型 0.38 1.04 0.43 5.15 1.45 0.90 0.003 中型 0.39 1.01 0.51 5.10 1.40 0.86 0.001 大型 0.39 0.98 0.37 5.13 1.45 0.90 0.001 4. H13 钢的常规热处理

7、工艺4Cr5MoSiV1 钢制压铸模的制造工艺路线是： 锻造锻热调质预处理 粗加工去应力退火 真空高压气体淬火 三次高温回火 精加工等。由于种种原因 ，市售的 4Cr5MoSiV1 钢棒、扁材存在不少问题 5 ，主要有 ：含有一次碳化物 ，这种组织会导致模具的早期失效； 沿晶界二次碳化物呈链状、棒状分布 。如何提高模具基材的性能，是一个值得研究的问题 。文献6 提出了基材预处理技术， 在传统工艺的基础上 ， 对不同模具材料提出适合的加工工艺 ，从而改善模具基材性能，提高模具寿命 。4Cr5MoSiV1 钢的这些缺陷可用组织细化 、均匀化锻热调质预处理工艺加以解决7 。用来制造压铸模的 4Cr5

8、MoSiV1 钢毛坯均需进行锻造 。本试验将 准200mm 热轧原材料改锻成所需形状尺寸 ， 锻造合格成型后乘高温余热返回炉中加热至11401150，保温后油淬 ，即锻热固溶淬火 ；随后进行 (720 10)保温2 h 的高温回火 ，空冷；完成锻热调质预处理 。以此获得细密的回火索氏体组织，碳化物呈均匀 、细小、弥散析出 ，硬度220240HB ，既有良好的冷切削加工性能， 又是理想的最终淬火预处理组织 。实验表明 ：因钢材显微组织和亚结构细化明显改善，使淬火马氏体位错密度增加50% 80% ， 并使 K1c、 b分别提高 35% 45% 和15% 20% ，提高了压铸模钢内部质量 。4.1

9、退火工艺（等温球化退火）对于压铸模而言 ， 尺寸精度要求高 ， 切削加工量大 ，在加工过程中 ，模具零件内部组织会发生不均匀的体积变化， 从而产生内应力 ， 处于一种极不稳定的状态 。因此， 为了消除切削应力 ， 减小淬火变形 ，在淬火前需进行退火处理。H13 钢锻后碳化物带状偏析严重，常规退火不能满足，采用高温固溶，即短时间等温球化退火工艺，得到球状 P+ 少量弥散粒状 K，这样K带状偏析可以均匀化，使 K不均匀分布得到明显改善，甚至消除。加热时采用改变加热速度，即先慢 (100h) 后快(150200h)，加热至退火温度 (800 10)，保温2h，后随炉冷却至 700oC,在(700 1

10、0 )oC，保温2h，后随炉冷却至 500oC取出空冷到室温。4.2 淬火工艺根据热作模具钢的服役特点，淬火温度选1020oC。目的在于获得紧要的性能，要使 H13 获得尽可能高的冲击韧性，就应该把高的淬火温度和高的冷却速度结合起来。升温速度以每小时200oC左右为理想，也可以快速进行预热，目的在于防止升温中因热应力或相变应力而产生变形。预热要考虑在500oC附近的热变形，以及 800oC左右的由相变引起的收缩。因此采用二次预热，第一次温度为 560oC，第二次温度为 850oC，最终加热到 1020oC。若采用空冷和一级淬火，压铸模易产生开裂，降低寿命，所以采用二级分级淬火较为理想。4.2.

11、1 预热淬火加热是在热电偶炉中进行，进行二次预热 。第一次预热的主要目的是消除零件淬火前机械加工中产生的加工应力，防止、减小加热过程中引起淬火畸变， 预热温度高则消除应力效果明显， 预热温度选定为 560， 加热速度8min， 保温时间 30 min+1min/mm 。第二次预热采用 850，加热速度 12min，保温时间 10min+0.5min/mm 。4.2.2 淬火加热与冷却淬火加热及随后的保温使合金元素充分溶解并完成奥氏体均匀化， 获得细针状淬火马氏体 ，得到所需高温强度 、高温硬度 、高温韧性和抗软化等性能 。经试验 ， 最终淬火温度选择 10201040，可达到固溶强化效果 。当

12、加热温度 高 于 1000 时 ， 保 温 时 间 不 宜 过 长 ， 以 防 止 晶 粒 粗 大 。 目 前 按60min+0.5min/mm 估算保温时间 。保温结束后 ， 模具移至冷却室 ，并用风扇使气体循环 。为获得最佳冲击韧度和最小的尺寸变化， 必须将组织中贝氏体量降至最低 ， 通过贝氏体生成区 (520200) 时必须强冷 ， 淬火速率为 78s，可达到静止油的冷速 ，冷却均匀 ，工件畸变小 。气冷淬火可避免油烟污染，还可取消中间清洗工序 ，不需油水分离和废油处理。冷却过程中不进行等温停留 ，连续冷却至 100。4.3 回火工艺（高温回火）回火稳定性是热作模具钢的主要性能之一，它关

13、系到钢的高温硬度， 高温强度及热疲劳抗力等。提高回火稳定性会延长磨具的使用寿命。为防止开裂，淬火后冷却至 100oC左右应立即回火。锌合金压铸模型腔表面一般在20600进行热循环 ，其成型零件的回火温度必须高于最高工作温度1030才行 。在500oC附近获得二次硬化回火硬度高，为55HRC，使得钢的冲击韧性显著降低，出现回火脆性，应当避免。 H13钢的淬火组织为“板条 M+未溶K+Ar ” ，为消除Ar及残余应力并使 M韧化，必须迚行不少于两次的高温回火，为避免回火时重新产生残余应力， 在回火加热和冷却时应缓慢迚行以防止开裂。故回火工艺为550620保温 2 h 3 次，回火硬度应控制在 44

14、48HRC 。为了避免工件开裂，回火时应加热均匀，先把工件加热到380400oC保温1h左右，再升温到 620保温 2h，快冷完成第一次回火。4Cr5MoSiV(H13) 钢500左右属回火脆性区 ， 故选择既避开了脆性区又有利于获得尽量高回火硬度的回火温度 。第二次高温回火的主要目的是使硬度稳定。4Cr5MoSiV(H13)钢采用 600回火，硬度达到 44HRC 时具有强度 、韧性、耐磨、抗冷热疲劳最佳搭配的综合性能。第三次回火的主要目的是充分消除淬火过程中产生的热应力和组织应力， 选择比第二次回火温度低1020进行保温 。第三次回火后心部硬度为4145HRC, 具有良好的强韧性配合 。通

15、过选用 580620真空高温回火 ， 从淬火马氏体中高度弥散析出合金碳化物， 比锻造碳化物细一级 ，达到2 级，呈细、小、匀、圆分布于钢基体 ，成为强化相碳化物 ， 基本消除对钢基体的切割作用，增加了硬度 、耐磨性与强硬性， 充分发挥出碳化物强硬化作用。5. 热处理各阶段金相组织及硬度值(a)原始组织相图硬度 48HRC(b)退火后组织相图硬度 37.5HRC (c)淬火 + 高温回火后相图硬度 44HRC 6. 结束语合 理 的 热 处 理 工 艺 是 提 高 压 铸 模 使 用 寿 命 的 关 键 。 压 铸 模 用4Cr5MoSiV(H13) 钢的热处理工艺包括钢坯锻造后锻热调质预处理、

16、去应力退火处理、淬火处理 、回火处理 、成形零件的表面强化处理等，在制定其热处理工艺时，采用变形小 、表面质量好的真空热处理，有利于提高模具寿命 。根据零件的大小 、形状和用途等 ，合理确定加热速度 、加热温度 、保温时间和冷却速度等工艺参数 。4Cr5MoSiV(H13)钢经锻热调质预处理后 ，钢材显微组织和亚结构细化明显改善 ，提高了压铸模钢内部质量 。采用复合强化工艺后 ，与常规工艺相比 ，模具使用寿命平均可提高 45 倍。7.致谢在这一个月的实验中， 我查阅了大量的书籍， 使我对以前所学的理论知识更深一步的认识和了解，对所学专业基础知识掌握更扎实。这次是我第一次全面和系统的综合实验。在此设计过程中得到了刘建康老师，王鑫老师的精心指导，在此要向尊敬的老师致以最崇敬的感谢。通过本次综合实验