铝镁合金压铸模寿命提高对策与生产途径

夏静

摘 要：铝镁合金压铸模作为重要的加工工艺装备，其性能好坏，寿命高低，直接影响到企业产品质量和经济效益。而模具材料与热处理技术是影响铝镁合金压铸模寿命的主要因素。本文通过分析铝镁合金压铸模的主要失效形式，简要介绍典型模具用钢和常见热处理方法，指出合理选用模具材料和热处理工艺，可以明显改善模具热稳定性、淬透性、耐磨性、热疲劳性和导热性等性能，从而提高模具使用寿命。

关键词：铝镁合金压铸模;模具材料;热处理工艺;使用寿命

1 铝镁合金压铸模失效形式

铝镁合金压铸模是在压铸机上用来压铸铝镁合金铸件的成型模具，工作时型腔表面温度可达600℃左右，且熔融的铝镁合金液很容易粘附钢铁材料，工作时必须对模具型腔频繁地涂抹防粘涂料，由此造成型腔表面温度的剧烈波动，其失效形式主要是粘模、侵蚀、热疲劳和磨损。当模具型腔结构复杂并存在应力集中时，模具也会在热负荷和机械负荷的共同作用下出现断裂失效。

1.1 粘模

铝镁合金件与模具表面明对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落。

1.2 侵蚀

当模具表面与铝镁合金液体接触作相对运动时，在液体与模具接触处形成的气泡破裂产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑。铝镁合金液体和固体微小颗粒高速落下，反复冲击到模具表面，使局部材料流失，在金属表面成麻点和凹坑。反复作用下，模县表面将萌生疲劳裂纹，甚至造成局部断裂。

1.3 热疲劳

模具表面反复经受加热和冷却所产生的应力引起疲劳，形成龟裂。铝镁合金压铸模龟裂的主要原因是浇注温度和模具的预热温度之差，温差越大冷却速度越快，则热疲劳裂纹越容易产生，其次和热循环的速度、模具的热处理工艺和表面处理也有密切的关系。

1.4 磨损

由于模具表面与被加工高温铝镁合金件之间的摩擦无法得到润滑，被高温工件氧化，模腔表层被回火软化，低硬度又加剧了磨损，严重的磨损使模具无法加工出合格产品而报废失效。

1.5 断裂

铝镁合金压铸模在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。

2 铝镁合金压铸模具用钢的选用

模具材料的种类、化学成分、金相组织、硬度、韧性、低倍体组织等综合因素，是导致铝镁合金压铸模失效的重要原因，恶劣的工作条件要求铝镁合金压铸模必须具有较高的抗回火稳定性和抗冷热疲劳的性能，具有良好的抗高温高压高速液态铝镁合金冲蚀能力和较高的强度与韧性。

2.1 3Cr2W8V（H21）钢

含有较多的钨、铬、钒元素，因而淬透性、回火稳定性、热强性都较高，适用于高承载力、高热强性和高回火稳定性的压铸模。

2.2 4Cr5MoSiV1（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，即使出现热疲劳裂纹也较细且短，不容易扩展，使用前无须预热，且可以采用自来水喷冷，具备较高的热强性。

2.3 4Cr5Mo2MnSiV1（Y10）钢

加入质量分数为2%左右的钼，辅以钒和泥等元素，以提高热稳定性，加入适量的硅和锰以提高基体强度，具备良好的热疲劳性能和抗熔融金属熔蚀性。

2.4 4Cr5MoSiV（H11） 钢

属于钨系热作模具钢，在中温条件下具有很好的韧性，有较好的热强度、热疲劳性能和一定的耐磨性，在较低的奥氏体化温度条件下空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化皮倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。

2.5 3Cr3Mo3VNb（HM3）钢

一种新型高强韧性热锻模具钢，其在含碳量较低的情况下加入微量元素Nb，提高耐回火性、热强性，有明显的回火二次硬化效果，能够有效地克服模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。

2.6 4Cr3Mo3SiV（H10）鋼

在工作温度500～600℃时具有更高的硬度，热强性和耐磨性，且具有非常好的淬透性和很高的韧性，回火抗力及热稳定性高于H13钢，冲击韧度及断裂韧度高于3Cr2W8V钢，当回火温度超过260℃时，钢的硬度高于H13钢。

采用高强韧模具材料是提高铝镁合金压铸模使用性能和延长模具使用寿命十分重要的措施。如：某模具由3Cr2W8V钢直接下料加工而成。外形尺寸φ180x85mm，硬度要求42～46HRC，生产使用时仅能压铸249，900件。后改用4Cr3Mo3SiV制造，使用寿命提高到1000.000件。

3 铝镁合金压铸模热处理工艺的选用

铝镁合金压铸模的热处理就是通过对模具钢的组织结构进行改变，使模具获得所需要的组织和性能，能延长模具使用寿命。热处理工艺规范要根据模具的材料、模具形状、尺寸、复杂程度来确定。

3.1 预先热处理

压铸模的预先热处理可采用连续退火、等温退火和调质热处理三种工艺，其目的是在最终热处理前获得均匀的组织和弥散分布的碳化物以改善钢的强韧性。连续退火工艺较为简便，也可获得较好的粒状珠光体组织。对形状复杂和要求较高的压铸模，采用等温退火可以获得更理想的粒状珠光体组织。

3.2 淬火预热

压铸模具用钢多为导热性差的高合金钢，在淬火加热时常常采取预热措施，预热次数及温度的多少，取决于模具钢的成分和对模具变形的要求。对淬火温度低、形状简单、对变形要求不高的模具，在不产生开裂的情况下，淬火加热时要进行一次预热（800℃～850℃）。对较高温度淬火和形状复杂、变形要求高的模具，必须二次预热（600～650℃、800～850℃），其目的是减少加热过程中产生的应力，同时使模具整体的组织均匀。

3.3 淬火加热

压铸模的淬火加热温度可根据各钢号的淬火加热规范执行。如3Cr2W8V钢淬火温度1050～1150℃，H13钢淬火温度为1020～1100℃。为了保证碳化物充分溶解，获得成分均匀的奥氏体，并获得良好的高温性能，压铸模淬火加热保温时间应适当延长，一般在盐浴炉中加热保温系数取0.8～1.0min/mm。

3.4 淬火冷却

油淬冷速快，可获得良好性能，但变形开裂的倾向性大。一般对于形状简单、变形要求不高的压铸模采用油冷;对于形状复杂、变形要求高的压铸模，为防止模具变形和开裂，宜采用分级淬火。淬火冷却应尽量缓慢，以减少淬火变形，在真空电阻炉中加热淬火，冷却可采取气淬。在盐浴沪中加热淬火，冷却时可采取分级淬火等方法。模具淬火冷却时一般冷到150～200℃均热后应立即回火，不允许冷却到室温。

3.5 回火

压铸模的硬度要求是通过回火来实现的，而压铸模型腔的硬度直接影响到模具的冷热疲劳寿命。材料不同、淬火温度不同，回火温度也是不一样的。如3Cr2W8V钢铝镁合金压铸模的硬度要求一般为42～48HRC，其回火温度一般在560～620℃之间选择，但若采用高温淬火，则回火温度高达670℃。1150℃淬火650℃回火后硬度为45HRC;而1050℃淬火650℃回火后硬度为35HRC。

3.6 表面强化处理

压铸模在淬火回火后，表面硬度并不是很高。为了使压铸模表面获得很高的

硬度及耐磨性，而心部仍保持有足够的强度和韧性，同时也为了提高铝镁合金压铸模的防粘模性能，可对压铸模进行表面渗氮或氮碳共渗处理。

采用强韧化处理及表面强化处理工艺，是提高模具性能和寿命的重要途径。如H13压铸模氮碳共渗热处理介质为氨气+乙醇，工艺为580℃x4.5h。经1030℃淬火600℃回火再经580气体氮碳共渗热处理后，模具表面硬度达900HV以上，基体硬度46～48HRC，模具的耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性等有很大提高。

4 结束语

铝镁合金压铸模生产中要根据模具工作條件，分析研究失效原因，正确选择模具材料，合理制订热处理工艺，保证模具表面硬度、耐磨性和心部强度、韧性，防止金属液体侵蚀、粘模，有效降低废品率，显著提高模具使用寿命。生产实践证明，把铝镁合金压铸模预热到有效、经济的温度下工作，可减少模具和工件间的温度差，减少模具裂纹的产生，延长模具的使用寿命，并提高生产率。当然，铝镁合金压铸模在使用过程中，正确的使用、合理的管理、精心的维护也是减少模具早期断裂失效、提高模具使用寿命的有效措施。

参考文献：

[1]吴光明.模具材料与热处理[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]赵昌盛.实用模具材料应用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3]李奇.模具材料及热处理[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[4]吴兆祥.模具材料及表面处理[M]. 北京：机械工业出版社，2008.