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1～2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1～2 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 小型 中型 大型 C 0.38 0.39 0.39 Si 1.04 1.01 0.98 Mn 0.43 0.51 0.37 Cr 5.15 5.10 5.13 Mo 1.45 1.40 1.45 V 0.90 0.86 0.90 S 0.003 0.001 0.001
4. H13钢的常规热处理工艺
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：①含有一次碳化物，这种组织会导致模具的早期失效； ②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
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