CN100439550C - 一种长寿命合金压铸模模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明目的是提供一种长寿命铝合金压铸模模块，成分重量百分比为：C：0.37-0.45；Si：0.90-1.40；Mn：0.30-0.60；Cr：5.10-5.70；V：1.00-1.40；Mo：1.20-1.50；S：0.0005-0.003；P：0.001-0.015；其余为Fe和不可避免杂质。它的制造方法包括如下步骤：电渣锭在加热炉内1230℃-1290℃温度下保温15-20小时进行均质化化处理；然后进行两次镦粗和拔长处理，开锻温度为1230℃-1250℃，终锻温度为850℃-900℃；锻后热态装入炉温为860℃-950℃的退火炉中进行细化组织处理。由于成分的合理设置以及工艺上对组织的均质化处理和组织细化处理使得本发明模块的使用寿命较现有技术提高了3.5倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及到一种热作模具钢模块及其冶金制造方法，尤其是涉及一种模具制造行业用长寿命铝合金压铸模模块及其制造方法。
背景技术
热作模具钢模块是特殊的模具钢模块，按用途来分，一般可以分为压铸模模块和锻模模块，都是制造热作模具的原材料。铝合金压铸模模块是压铸模模块中的最常用的一种，用于制造铝合金制品的压铸成型模具。我国目前使用的铝合金压铸模模块是采用传统的冶金工艺仿制前苏联引进的高钨低碳型模块，这些模块的化学成分配比不合理，采用C0.30-0.40wt％，Si 0.10-0.40wt％、Mn 0.10-0.40wt％、Cr 2.20-2.70wt％、V 0.25-0.75wt％、W 7.50-9.00wt％、S≤0.03wt％、P≤0.03wt％；高钨成分引起液相莱氏体组织，降低了钢的使用性能，而且上述成分范围较宽，导致产品性能不稳定。
上述现有的铝合金压铸模模块的制造工艺采用电炉冶炼或电渣冶炼，常规的锻造工艺和成品模块的去应力退火工艺，具体步骤依次为炼钢、电渣冶炼、加热、锻造、热处理，最后形成成品，其中，加热步骤一般控制在1240-1270℃温度范围下进行7-8小时的保温；锻造时的开锻温度控制在1220-1240℃，成材尺寸的截面压缩比≥4％；退火温度一般控制在860℃±10，保温时间为6-8小时；炉冷的冷速≤40℃/h。但这种制造工艺存在如下问题：1)加热步骤不合理，主要是时间控制过短，从而导致组织和成分均匀化不够；2)这种退火工艺是典型的去应力退火工艺，显微组织没有任何细化作用，主要是能够降低产品硬度，对显微组织球化效果不好，结果是晶粒粗大。上述两项不足导致模块寿命短，使用寿命约为2万-4万模次。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种长寿命合金压铸模模块及其制造方法，使得合金压铸模模块的使用寿命达到10万-12万模次，平均寿命较现有技术提高3.5倍。
为实现上述目的，本发明首先提供一种长寿命合金压铸模模块，其成分重量百分比为：
C 0.37-0.45％；Si 0.90-1.40％；Mn 0.30-0.60％；Cr 5.10-5.70％；V1.00-1.40％；Mo 1.20-1.50％；S 0.0005-0.003％；P 0.001-0.015％；其余为Fe和不可避免杂质。
以下是本发明主要元素的作用及其限定说明：
C：0.37-0.45％
该碳元素主要是使得碳化物析出类型的稳定性，碳化物析出类型的稳定可以使得模块的基体组织的性能得到稳定，使用寿命稳定。碳成分控制在此范围是可以使得组织中碳和钒元素形成稳定的MC和MC2型碳化物，这种类型的碳化物在模具的服役温度下工作具有良好的抗高温回火稳定性，使得模具不会由于高温回火而降低基体的强度。
Si：0.90-1.40％
提高硅元素的含量可以提高模块基体的强度性能指标，使得模块在使用时的寿命提高。但是高出此范围可能会引起增加基体的非金属夹杂物的危险性，从而降低模具的使用性能，低于此范围可能会造成降低基体强度性能，使得模具使用寿命下降。
Mn：0.30-0.60％
压缩成分范围的目的是控制模块性能的波动。由于锰是弱碳化物形成元素，可引起奥氏体区域的变化，锰含量控制低于0.30％不利于基体奥氏体的稳定性，会降低模具的淬透性，影响模具的内外性能的均匀性，从而降低模具的使用寿命。锰含量控制高于0.60％会增加基体组织的脆性，使得模具的冲击性能降低，降低模具使用寿命。
Cr：5.10-5.70％
主要是为了使得模块基体析出弥散的碳化物，提高模块的红硬性，使得模块在服役时更具有抗回火稳定性，进一步提高模块的使用寿命。由于铬元素是强碳化物形成元素，要与碳元素含量形成一定的配比，这种一定的配比是指控制铬和碳的含量可以形成稳定的细小、弥散的M7C3型碳化物析出，这样才能形成稳定的碳铬化合物，对提高基体性能起着重要的作用。
V：1.00-1.40％
使得模块的组织获得MC型碳化物，增加基体的两次硬化性能。钒元素主要是和碳元素一起在模具的回火过程中形成稳定的钒碳性碳化物，提高基体的抗回火稳定性，如果控制超出此范围可能引起碳化物的不稳定性从而降低模具在使用时的高温性能，降低模具的使用寿命。
Mo：1.20-1.50％
使得模块显微组织获得MC3、MC2型碳化物，稳定两次硬化性能。超出此范围会造成基体显微组织不能获得这种M2C、M6C型碳化物，从而降低两次硬化性能。
S：0.0005-0.003％；P：0.001-0.015％
降低磷和硫的控制含量可以使得模块的显微组织更加纯净，降低磷含量可以消除模块在回火过程中的脆性危险，降低硫含量可以降低模块基体非金属夹杂物的形成，从而提高模块的机械性能并使得模块的等向性能提高，使用时的抗事故性能提高，使用寿命延长。
为实现上述目的，本发明还提供一种长寿命铝合金压铸模模块的制造方法，该方法包括如下步骤：电渣锭在加热炉内1230℃-1290℃温度下保温15-20小时进行均质化化处理；然后进行两次镦粗和拔长处理，开锻温度为1230℃-1250℃，终锻温度为850℃-900℃；锻后热态装入炉温为860℃-950℃的退火炉中进行细化组织退火处理。
优选的，本发明方法还包括进行细化模块组织处理的步骤：先进行固溶，温度控制在1050℃-1100℃，然后空冷或风冷至室温，再经过830℃-880℃和700℃-760℃的两次高温回火处理。
主要工艺参数控制如下：
加热：
电渣锭在1230℃-1290℃温度的加热炉内保温15-20小时进行均质化化处理；
电渣锭内部组织存在着大量的共晶碳化物，并且富集大量颗粒状两次碳化物，经过高温扩散达到均质化的效果，共晶碳化物和两次碳化物基本溶解。通过这种高温均质化处理使得碳和合金原子的扩散、偏析得以改善，经过这种高温均质化处理之后的钢锭组织和成分基本均匀。
锻造：
电渣锭经过两次镦粗和拔长处理，将电渣锭纵向镦粗1/2锭高，再横向拔长至原来的尺寸，重复两次。开锻温度为1230℃-1250℃，终锻温度为850℃-900℃，锻后热态装入炉温为860℃-950℃的退火炉中进行细化组织退火处理；
钢锭的两次镦粗和拔长处理是为了增加锻造比，进一步破碎钢锭的铸态组织；
开锻温度的控制使得模块具有最佳的锻造韧性和延展性，有利于组织的变形和在锻造过程中回复再结晶的顺利展开。终锻温度的控制是防止模块在锻造成型时发生开裂，终锻温度低于所规定的温度，非常容易引起模块的锻造开裂。
组织细化退火热处理是一种在降低模块的硬度同时细化模块的显微组织，组织细化可以大大降低模块在服役过程中的热疲劳裂纹的产生和扩展，并能够提升模块基体的强度，从而提高模块的使用寿命。
固溶温度控制在1050℃-1100℃，时间为5-8小时，然后空冷或风冷至室温，经过830℃-880℃温度范围保温6-8小时和700℃-760℃保温15-18小时的两次高温回火处理。这种热处理是使得模块首先进行奥氏体化，重新结晶改变原始的显微组织，并在两次回火(球化处理)的过程中逐渐使得模块基体组织细化，同样显微组织中的球化组织更趋细化，这样的组织可以延长模块的使用寿命。经过这种细化模块组织的处理之后，获得组织均匀、纵横向性能差异小、细小球化组织的铝合金压铸模模块。
本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：
1.化学成分的配比更加合理，成分配比中不存在钨的成分，消除了液相莱氏体组织的析出，硫元素控制在0.0005-0.003wt％、磷元素控制在0.001-0.015wt％，可大幅提高铝合金压铸模模块的材料性能，从而延长铝合金压铸模模块的使用寿命。碳成分与钒元素及铬元素的成分合理控制可以使得组织形成稳定的碳化物，这种类型的碳化物在模具的服役温度下工作具有良好的抗高温回火稳定性，使得模具不会由于高温回火而降低基体的强度，使用寿命稳定。
2.高温均质化处理使得碳和合金原子的扩散、偏析得到改善，钢锭组织和成分更趋于均匀，从而提高压铸模模块的原始质量，为延长铝合金压铸模模块的使用寿命创造了基本条件。
3.经过细化组织处理工艺使得模块各向异性缩小，模块的显微组织细小、均匀，并且显微组织为良好的球化状态，很大的程度上提高了铝合金压铸模模块的综合性能，使得铝合金压铸模模块的使用寿命较现有技术提高3.5倍，大大提高了经济效益。
附图说明
图1是根据本发明对电渣锭进行高温均质化处理后的金相组织图，显示出该金相组织均匀、晶界清晰；
图2是根据本发明对模块进行细化组织退火处理的工艺曲线图，正火球化各段温度和时间控制合理；
图3是根据本发明对模块细化组织处理后的金相组织图，显示出该金相显微组织细致、均匀；
图4a是根据本发明对模块进行细化组织之后的球化组织图，显示出该球化组织细小、均匀，其中，固溶后是通过风冷进行冷却；
图4b是根据本发明对模块细化组织之后的球化组织图，显示出该球化组织细小、均匀，其中，固溶后是通过空冷进行冷却。
具体实施方式
以下是本发明实施例1-4的具体说明。
实施例1
模块的化学成分重量百分比为：C 0.41wt％，Si 1.21wt％、Mn 0.50wt％、Cr 5.25wt％、V 1.10wt％、Mo 1.30wt％、S 0.0008wt％、P 0.010wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
电渣锭在1260℃温度的加热炉内保温19小时进行均质化化处理，均质化处理之后的金相组织照片见图1；
电渣锭经过两次镦粗和拔长处理，开锻温度为1245℃，终锻温度为890℃，锻后热态装入炉温为880℃的退火炉中进行细化组织处理，
细化模块组织处理为固溶温度1090℃风冷至室温，经过860℃和720℃的两次高温回火处理，细化组织处理工艺曲线见图2，模块经过细化组织处理后的金相组织照片见图3，球化组织照片见图4a和图4b(这两张金相组织图基本相同，说明风冷和空冷在工艺实施中都可以进行实施)。
采用本实施例的铝合金压铸模模块制造变速箱壳体压铸模、发动机罩盖压铸模、手机无线发射架多副模具，模块的使用寿命达到12万模次，高于传统压铸模模块寿命4.5倍。
实施例2-4的具体化学成分(Wt％)见表1，工艺参数控制见表2，性能和产品组织特性见表3。
表1
表2
表3
需要说明的示，表3中所达到的显微组织和球化组织的级别以及硬度值是国际北美压铸协会NADCA公认的高档模具材料的性能指标范围值。
Claims (3)
1.一种长寿命铝合金压铸模模块，其成分重量百分比为：
C：0.37-0.45；
Si：0.90-1.40；
Mn：0.30-0.60；
Cr：5.10-5.70；
V：1.00-1.40；
Mo：1.20-1.50；
S：0.0005-0.003；
P：0.001-0.015；
其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的长寿命铝合金压铸模模块的制造方法，包括如下步骤：电渣锭在加热炉内1230℃-1290℃温度下保温15-20小时进行均质化化处理；然后进行两次镦粗和拔长处理，开锻温度为1230℃-1250℃，终锻温度为850℃-900℃；锻后热态装入炉温为860℃-950℃的退火炉中进行细化组织退火处理。
3.根据权利要求2所述的长寿命铝合金压铸模模块的制造方法，还包括细化模块组织处理的步骤：先进行固溶，温度控制在1050℃-1100℃，然后空冷或风冷至室温，再经过830℃-880℃和700℃-760℃的两次高温回火处理。
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