【技术】压铸模具材料的选用及其对模具寿命的影响研究

前言

压铸是近代金属压力加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造方法，它已广泛应用在国民经济的各行各业中，除用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外，还广泛应用于家用电器、农机、无线电、通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机、纺织器械等行业[1]。模具材料作为承载模具设计、热处理的主体和制造方面的主要对象。它在模具工业起着重要的作用，对模具制造工艺的难易程度、模具热处理工艺的是否得当、模具寿命能否长久起到主导性作用。
 

1 压铸模具材料的性能要求

1.1压铸模失效的主要原因

1) 热疲劳

热疲劳是由于压铸过程中模具反复经受激冷、激热所造成的热应力，导致逐渐产生裂纹。其形貌多数呈网状，又称龟裂，也有呈放射状。这些在模具表面浅层中的微裂纹，一般可以修复。如果热疲劳裂纹深入基体内部，修模会导致模具尺寸超差，或者由于压铸过程中的机械应力或热冲击，热疲劳裂纹则扩展成宏观裂纹，致使模具失效。

2) 严重脆性开裂

压铸模脆性开裂是先形成宏观大裂纹，很快扩展．导致脆性开裂而失效。引起的原因很多，诸如压铸操作不当引起的机械过载、热冲击，加工质量不佳，削弱了模具承载能力，模具设计不合理产生应力集中等等，而模具材料的韧性不足则是脆性开裂的内因。

3)侵蚀(腐蚀)

压铸过程中，通过压力将熔融金属注入压铸模具型腔。在某些情况下，会产生熔融金属与模具之间的反应，导致模具材料被溶解，实质是侵蚀和腐蚀的结合。其主要影响因素为：铸造合金的温度与成分、模具设计与表面处理等。

4) 塌陷

塌陷指压铸过程中模具的下陷或其分型面处的压塌。这是由于模具材料的热强度太低造成的。压铸温度越高，发生塌陷的可能性越大。

1.2 压铸模具材料的性能要求

压铸模的使用寿命与压铸模的材质密切相关。压铸模零部件主要分为与金属液接触的零部件、滑动配合零部件和模架结构零件。压铸模型腔与浇道等部件在金属的压力铸造生产过程中，直接与高温、高压、高速的金属液相接触。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，压铸模用钢要求有较高的热疲劳抗力，导热性及良好的耐磨性、耐蚀性和高温力学性能。

压铸模具的选材，主要依据浇铸金属的温度以及浇铸金属的种类而定。温度越高，压铸模具的破坏及磨损越严重。由于压铸模的各部件在不同条件下工作，受到浇铸金属的冲击和磨损也不同，因此对压铸模硬度要求应根据零件的用途以及浇铸金属的不同而有所区别。例如，对磨损较严重的部件，应具有更高的硬度；对在受热条件下工作的零件，应具有较高的热疲劳性能和高温性能。表一1是某厂对压铸模的硬度要求，可供参考。各厂要求的硬度不同，应根据具体情况而定。

2 锌合金压铸模具用钢及选用

锌合金的熔点为400～430℃。锌合金压铸模的表层温度不会超过400℃。由于工作温度较低，所以除常用模具钢外，也可以采用合金结构钢制造模具，甚至可采用低碳钢，经中温固体碳氮共渗、淬火、低温回火，使用效果也很好。常用于制造锌合金压铸模具的材料有：合金结构钢，如40Cr、30CrMnSi、40CrMo等；模具钢5CrNi．Mo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、3Cr2W8V、CrWMn等。

锌合金压铸模具寿命：合金结构钢可达到20～30万模次，模具钢可达到100万模次。国外锌合金压铸模具水平基本也是30～50万模次，也有的达到100万模次。

3 铝合金压铸模具用钢及选用

3.1 铝合金压铸模的服役条件

铝合金压铸模的服役条件较为苛刻，铝合金熔液的温度通常在650～700℃左右．以40～180m／s的速度压人模腔，此压力大约为20～120Mpa，保压时间5～20s，每次压射间隔时间大约为20～70s。模具型腔表面受到高温高速铝液的反复冲击。产生较大压力。目前，我国压铸模的失效形式大多是热疲劳裂纹所致。随着模具寿命的提高。模具受到液态铝合金的溶损粘蚀作用将成为模具失效的主要形式。

因此，铝合金压铸模的寿命取决于两个因素，即是否发生粘模和型腔表面是否出现龟裂。

3.2 铝合金压铸模具钢的性能要求

根据铝合金压铸模的服役条件和常见的失效形式，对铝合金压铸模用钢的主要性能要求有：

1) 高的回火抗力和冷热疲劳抗力。

大量连续生产的铝合金压铸模具，长时间处于一定温度作用下，应持续保持其高硬度，而且应不粘模及不产生氧化皮。因此，模具应具有良好的抗氧化性与回火稳定性。铝合金压铸模具表面反复受到高温加热与冷却，不断膨胀、收缩，产生交变热应力。此应力超过模具材料的弹性极限时，就发生反复的塑性变形，引起热疲劳。同事，模具表面长时间受到熔融金属的腐蚀与氧化，也会逐渐产生微细裂纹，大多数情况下，热疲劳是决定压铸模具寿命的最重要因素。

2) 足够的强度、硬度、塑性及耐热性能。

铝合金压铸模具受到熔融金属注入时的高温、高压和热应力作用，容易发生变形，甚至开裂。因此，模具钢在工作温度下应具有足够的高温强度与韧度，以及较高的硬度和耐热性能。

3) 良好的导热性。铝合金压铸模具长时间处于

600～700~C高温作用下，为保证其他性能。必须具有良好的导热性。

4) 良好的抗熔融金属的损伤性。随着压铸机的

大型化，压铸压力也在增大，已从低压的20～30MPa，提高到高压150～500MPa。高温高压浇铸可产生明显的熔融损伤，模具应对此具有较大的抵抗力。为此，模具材料必须具有较大的高温强度。较小的对熔融金属亲和力，模具表明粗糙度要小，并附有适当的氧化模、氮化层等保护层，而不存在脱碳层。

5) 淬透性好、热处理变形小

一般压铸模具的制造方法是将退火状态的模具材料雕刻型腔．然后热处理，得到所需要的硬度，或将模具材料先进行热处理，得到需要的硬度，再雕刻型腔。先雕刻型腔后热处理的制造方法，有高的硬度和强度，不易产生熔损与热疲劳。无论用哪一种方法进行热处理，得到均一的硬度是必要的，所以要求淬透性好，特别是先雕刻型腔后进行热处理，要用热处理变形小的材料，这点对于尺寸大的模具尤为重要。

3.3 铝合金压铸模具钢

目前，我国常用铝合金压铸模钢有4Cr5MoSiV 1(H13)、4Cr5MoSiV (H11)、3Cr2W8V 及新钢种4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)以及3Cr3Mo3VNd(HM3)等3Cr2W8V万方数据钢的回火抗力和热稳定性性能最好，具有足够高的耐热性，但因含钨量较高，导热性下降，钢的热膨胀系数也较大。因而，冷热疲劳抗力较差，容易在模具型腔表面出现冷热疲劳裂纹。4Cr5MoSiV1(H13)和4Cr5MoSiV(H11)钢的回火抗力及热稳定性稍差于3Cr2W8V钢，但是冷热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多。用H13钢制造的铝合金压铸模具，寿命远高于3Cr2W8V钢制造的模具。新钢种4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)钢是4Cr5MoSiV1钢基础上研制的新型铝合金压铸模用钢，其化学成分见表-3。

4Cr5Mo2MnSiV1 (YIO) 钢除耐热性能比3Cr2W8V钢稍差外，其它力学性能，如冲击韧性、断裂韧性；物理性能，如热导率、热膨胀系数；工艺性能，如热处理变形性，以及热疲劳抗力、抗溶损性能均优于3Cr2W8V钢[2]。应用与铝合金压铸模具，其使用寿命可提高1～10倍。近年来，我国已研制出马氏体时效钢，其抗拉强度已达到2500Mpa。研制的18350马氏体时效钢化学成分见表-3。

马氏体时效钢是一种含镍、钼、钴、钛的超低碳高合金钢，经820～950℃固溶，得到高韧性的马氏体组织，此时硬度只有30HRC左右。可以进行机加工，然后在500℃左右时效。析出弥散的Ni-Ti、Ni-Mo金属间化合物，可使硬度提高到50HRC以上，从而具有高强度、高韧性及良好的抗热疲劳I生能。马氏体时效钢模具使用寿命极高。如压铸小型箱盖，H13钢模具寿命为5000～25000件，改用马氏体时效钢后．模具寿命可达到150000件，平均寿命提高10倍左右。但因马氏体时效钢含镍量较高，价格很贵，目前使用较少。表-4是国外铝合金压铸模具材料及使用寿命参考数据。

4 铜合金压铸模具用钢及选用

4.1铜合金压铸模具的工作条件和失效形式

1. 工作条件

铜合金压铸模的工作条件极为苛刻。铜液温度通常为940～980％，以10~20m／s的速度压人模腔，压力约为40～100MPa，保压时间2～10s，每次压射的间隔时间约为15～35s。由于铜液温度较高，而且导热性能极好。工件传递给模具的热量大且快。常使模腔表面升到较高温度。模具型腔受到高温铜液反复冲刷，在极短的时间即可升到较高温度，然后又很快降温，产生很大的应力。这种压应力(压射时)和拉应力(脱模后)的反复作用，促使模腔表面产生冷热疲劳裂纹，并会造成模腔较早的开裂。因此，铜合金压铸模具的寿命远比铝合金和锌合金压铸模寿命低。

2. 失效形式

铜合金压铸模具失效的主要方式是冷热疲劳龟裂。对压铸有局部凹陷形状的零件的模具，因模腔上有小的凸起，也会凸起台阶受热软化变形而失效。
 

4.2 铜合金压铸模具用钢及其性能要求
 

1. 性能要求

1) 高的热强性。以防止变形和开裂。

2) 高的导热性，以减小温度梯度，从而降低热应力。

3) 高的韧性及塑性，以减小开裂的倾向。

4) 高的抗氧化性及抗金属侵蚀性。

5) 良好的加工工艺性能。

2. 模具用钢

1) 国外已采用加钴的钨系高热强模具钢、钨基合金、钼基合金、马氏体时效钢以及加钴的铬钼钒钢等材料制造铜合金压铸模，其使用效果比3Cr2W8V钢要好．见表-5

2) 国内仍大量采用3Cr2W8V钢制造铜合金压铸模具，也有的用铬钼系热作模具钢。近年来，研制成功的新型的热作模具钢Y4(4Cr3MoMnVNdB)应用于制造铜合金压铸模具取得较满意效果，其成分见表-6。Y4钢的相变点：Ac1789~C、Accm910~C、Ms363℃ 。

Y4钢抗热疲劳陛能明显优于3Cr2W8V钢，具体的对比试验结果，见表-7表一7 Y4与3Cr2W8V钢热疲劳抗力对比测试结果
 

5. 黑色金属压铸模具钢及选用

5.1 黑色金属压铸模的工作条件

钢的熔点为1450～1540℃，黑色金属压铸模型腔的工作温度可达到1000℃，型腔表面受到严重氧化、腐蚀及冲刷，模具寿命很低。模具常因产生严重的塑性变形和网状裂纹而失效，一般只压铸几十件或几百件。

5.2 模具材料

最常用的模具材料仍为3Cr2W8V钢，但因该钢热疲劳抗力差、使用寿命很低。目前国内外，均趋向使用高熔点钼基合金及钨基合金制造黑色金属压铸模。其中TAM及Anviloyl 150两种合金受到普遍重视。采用导热性高的合金，如铜合金制造黑色金属压铸模．也收到较为满意的结果．表-8为几种黑色金属压铸模具材料，主要是铜合金。表-9为几种模具材料制造的压铸模具的寿命。

6. 结束语

压铸模具用钢是影响压铸模具寿命主要因素之一， 它的性能直接影响压铸模具的制造工艺、热处理工艺等，因此在选用模具材料时一定要根据模具要求的批量、生产状况进行选择。另外，合理的加工工艺和热处理工艺以及模具设计也是影响模具寿命的主要因素。