CN103993233A - 一种新型高寿命压铸模具钢及制造铝镁压铸模的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压铸模具材料领域，特别一种新型高寿命压铸模具钢及制造铝镁压铸模的工艺方法，其压铸模具钢合金元素的质量百分比含量分别为：0.15-0.18%C,12-14%Cr,5-7%Mo,9-11%Co,0.35%V,0.25-0.45%Nb,S<0.015%,P<0.010%，余量为铁。本发明的制造铝镁压铸模的工艺方法包括如下步骤：钢锭熔炼、锻造、预热处理、机械加工、强化热处理、精加工和最终检验。本发明根据铝镁压铸模具的工作温度和使用中的失效模式，综合运用材料学的相关性、过程性和各元素对材料性能的作用合理设计压铸模具钢的材料成份，使压铸模具的热稳定性、耐蚀性、耐磨性、热疲劳性和导热性等性能明显改善，从而提高压铸模具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及压铸模具材料领域，特别一种新型高寿命压铸模具钢及制造铝镁压铸模的工艺方法。
背景技术
铝镁合金等轻合金材料，因具有高的比强度和耐大气腐蚀的能力，受到了制造业的重视，成为许多机械零部件的首选材料。采用压铸工艺制造形状复杂的铝镁零部件具有节能、节材、污染小、工序少、效率高的特点，因此得到了广泛的应用，而且使用数量逐年增多。然而，在压铸件的生产过程中，因模具损伤（断裂、磨损、龟裂、腐蚀、塑性变形等）而造成的生产停顿和制件合格率下降越来越严重，造成大量人力、物力浪费。因而，压铸模的使用寿命低，已成为压铸生产成本居高不下的主要原因。
压铸模的失效与模具材料有密切的关系。由于当前工业上使用的压铸模具材料，基本上都是上世纪30-50年代研发的钢种，如我国的3Cr2W8V钢，美国的H-13（相当于40CrSiMoV）钢，前苏联的40Cr5W2V钢以及德国的3Cr3Mo3V钢。这些钢的化学成分大同小异，几十年来改革研究甚少。
现有技术中的压铸模在使用过程中，主要存在如下缺陷：
（1）热稳定性差：由于压铸模工作时，型腔内液态铝镁合金的温度约为700-850°C，模具工作表面实际温度也高达600-700°C，压铸模在此温度下，热硬度和热强度大大降低，从而易发生塑性形变而失去效用；
（2）耐蚀性差：压铸模在上述工作温度下，模具的型腔表面与液态铝或镁合金和脱模剂以及空气易发生化学反应而使模具型腔表面的材料易发生溶解或杂质渗入，导致模具表面粗糙度降低，制品尺寸和质量下降；
（3）耐磨性差：在工作温度下，模具表面与压铸合金及其渣粒长期接触时，易发生摩擦磨损和磨料磨损，使模具型腔尺寸变化，从而造成制件的尺寸改变或超差；
（4）热疲劳性差：压铸模工作时要反复被加热（液态合金注入）和冷却（制件取出后喷涂脱模剂），模面在交变温度作用下会产生热疲劳而形成龟裂，从而造成制件表面粗糙；
（5）导热性不理想：当液态合金注入压铸模工作表面时，模面温度迅速增高，有时该温度高过模具回火温度时，使模具产生塑性变形而失效；再有，模具温度高，冷却时温差大，产生的内应力较大，易发生热疲劳龟裂。
发明内容
本发明针对现有技术中铝镁压铸模具的工作条件及模具的失效模式，提供一种新型高寿命压铸模材料，以提高压铸模具的热稳定性、耐蚀性、耐磨性、热疲劳性和导热性等综合性能，从而提高压铸模具的使用寿命。
为实现本发明的目的，本发明的新型高寿命压铸模材料的质量百分比含量为：0.15-0.18C, 12-14Cr, 5-7Mo, 9-11Co, 0.35V, 0.25-0.45Nb, S <0.015, P <0.010，余量为铁。
本发明的合金元素的质量百分比含量的进一步优选方案为：0.15%C, 12%Cr, 5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。
本发明的合金元素的质量百分比含量的另一种优选方案分别为：0.18%C, 14%Cr, 7%Mo,11%Co, 0.35%V, 0.45%，, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。
与现有技术中的压铸模具材料相比，本发明的压铸模具材料，适当增加铬的含量，从而提高模具钢中铁的电极电位，即可提高其耐蚀性。当铬在铁中形成固溶体时，可以显著提高其电极电位，但这种提高不是匀速的而是台阶式的。当铬的原子百分数含量达到12.5%，铬与铁的原子比为1/8,电位有一突跃升高；当铬的原子百分数含量达到25%，原子比为2/8时，电位又一次跃升。而在非跃升原子比时，随着铬含量的增高，电位连续升高得非常微小。按照铬重量比，12.5% 的原子百分含量相当于11.65%质量含量，但钢中加入的铬部分与碳形成碳化物，这部分铬则失去耐蚀效果，因而如果正好添加的铬为12.5%（原子百分数），则因固溶的铬低于12.5%（原子百分数）而使耐蚀性大大降低，另外钢中含有其它元素同样也会对有效铬的含量产生影响。因此适当增加铬含量，使钢中固溶的铬含量保持在原子比为1/8水平。
碳含量的控制，压铸模具钢在淬火高温回火状态下，随着钢的碳含量增高，导热性增大，韧性增高，耐蚀性提高，但抗塑性变形能力和耐磨性降低。与传统压铸模钢相比，碳含量需要降低，但如果碳含量过低模具钢的硬度等性能达不到要求。因此，为保证压铸模具钢淬火、高温回火后的屈服强度达到σ0.2=900~1200MPa，硬度HRC45~50，其碳含量控制为0.15-0.18%（质量含量）。
钼含量：在模具钢中添加钼主要是提高钢的热强度。模具钢淬火后高温回火时原来较为粗大的渗碳体型碳化物将被溶解并重新形核长大形成M2C型碳化物，而具有二次硬化和抗过时效特性，因而可以在较高温度下保持高的强度、硬度。随着钼含量的增高，在相同回火条件下，其硬度、强度增高。而且这种规律可以保持到700°回火。
但是钼添加过高会使模具钢加热时形成铁素体，而降低模具钢的热性能，因此为了为了确保700°C工作条件下的强度、硬度、钼含量控制在4-8%之间。
钒铌含量：在压铸模具钢中添加少量的钒、铌，可以增加特殊碳化物M4C3、M2C的稳定性和细化淬火加热时奥氏体晶粒，从而改善钢的延性和韧性，并增强模具钢的强度、硬度。
钴含量：如果在低碳高铬钢中添加了较多的钼，会使钢加热时形成铁素体。为了平衡增加铁素体的倾向，需要增加钴的含量，而且钴的加入还会使二次硬化作用的温度移向高温。例如，6%Mo+10%Co，在620°C、1h回火后，硬度高达HV665。在700°C、1h回火后，硬度可达HV550。为了获得压铸模要求的力学性能，其用钢成分必需在淬火加热时，能够完全奥氏体化。由于用钢含有很高的封闭γ区的铬钼等合金元素，淬火加热时可能不能完全获得γ相（奥氏体），而有δ-Fe（α相）存在。为防止δ-Fe出现，需加入扩大γ区的元素来平衡。而钴既可以扩大γ区、提高Ms点以减少淬火后钢中残余奥氏量、提高回火稳定性，又不降低A1的临界点，使压铸模具钢既保证抗蚀性，又不产生δ-Fe，以使材料成分达到平衡配比。
因此，本发明根据铝镁压铸模具的工作温度和使用中的失效模式，综合运用材料学的相关性、过程性和各元素对材料性能的作用合理设计压铸模具钢的材料成份，使压铸模具的热稳定性、耐蚀性、耐磨性、热疲劳性和导热性等性能明显改善，从而提高压铸模具的使用寿命。
为进一步提高模具铸命，本发明还提供种采用上述模具材料制造高寿命铝镁压铸模的工艺方法，包括如下步骤：钢锭熔炼、锻造、预热处理、机械加工、强化热处理、精加工和最终检验；所述预热处理具体包括如下过程，将锻造后的工件加热至1020-1050°C，保温T min，然后在炉内降温至780-790°C保温12-16h，最后炉冷，其中保温时间T按下式计算：T=D·1.5min/1mm，式中D为工件的最大厚度尺寸。本工艺中，模具工件铸造后进行预热处理，可使工件的硬度HRC≤40，提高切削加工能力，并为机械加工后进一步强化热处理作准备。
为提高模具的综合性能及使用铸命，所述强化热处理工艺为将工件升温到550°C—750°C保温1小时，然后在保护气氛中升温至1100°C—1150°C奥氐体化保温1—2小时，油淬后冷却至室温，再升温至650°C—750°C回火保温1—2小时，然后空气中自然冷却至室温。
为进一步提高形状复杂的大尺寸压铸模具综合机械性能和热性能，所述强化热处理工艺为将工件升温至550°C—750°C保温1小时，然后再升温至800°C—850°C，保温0.5小时，最后升温至1100°C -1150°C奥氐体化保温1-2小时，油淬后冷却至室温，再升温至650-750°C回火保温1-2小时一至二次。
为防止模具表面在热处理中脱碳而造成硬度降低，所述奥氐体化保温工艺采用保护气氛加热或木炭粉保护加热。
采用上述热处理工艺的模具最终得到具有二次硬化效应的低碳回火马氏体，并且合金材料的回火温度与模具的实际工作温度接近，回火后模具表面仍具有较好的硬度，模具最终表现出较强的抗氧化、抗腐蚀、耐高温和热疲劳性能，使模具的使用寿命明显提高。
附图说明
图1为本发明的制造铝镁压铸模的工艺流程图。
图2为本发明的制造铝镁压铸模实施例1的强化热处理工艺曲线。
图3为本发明的制造铝镁压铸模实施例2的强化热处理工艺曲线。
具体实施方式
实施例1
一种制造新型高寿命压铸模的方法，如图1所示包括如下步骤：钢锭熔炼、锻造、预热处理、机械加工、强化热处理、精加工和最终检验；其中钢锭的合金元素的质量百分比含量分别为：0.15%C, 12%Cr, 5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁，预热处理具体包括如下过程，将锻造后的工件加热至1020°C，保温1h，然后在炉内降温至780-790°C保温12h，最后炉内冷却至室温， 经本步预热处理的锻造工件的HRC硬度小于40，具有良好切削加工性能，并且为后续的强化热处理工艺准备。本实施例中，强化热处理采用如下工艺如图2所示：先将工件升温到550°C—750°C预热保温1小时，以减小模具在加热过程中的冷热温度，使之内外温度均匀以降低热应力引发的变形，然后在氮气保护气氛中升温至1150°C保温1.5小时，使模具内部组织充分奥氐体化，之后再油淬后冷却至室温，可以得到相应的马氏体以及残余的奥氏体，以减少工件内部的组织应力和热应力引起的变形和开裂。再将工件升温至650°C—750°C回火保温1.5小时后空气中自然冷却至室温，可以减少残余奥氐体的含量最终形成具有二次硬化效应的低碳回火马氐体。强化热处理后模具的硬度为HRC48-52，并且表面没有脱碳现象，得到具有良好耐热性能和较高的使用寿命的压铸模。
实施例2
一种制造新型高寿命压铸模的方法，本步中采用的合金元素的含量及工艺步骤尤为适合形状复杂的大尺寸压铸模具，如图1所示包括如下步骤：钢锭熔炼、锻造、预热处理、机械加工、强化热处理、精加工和最终检验；其中钢锭的合金元素的质量百分比含量分别为：0.18%C, 14%Cr, 7%Mo,11%Co, 0.35%V, 0.45%，, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。其中预热处理具体包括如下过程，将锻造后的工件加热至1050°C，保温3h，然后在炉内降温至780-790°C保温16h，最后炉内冷却至室温， 经本步预热处理的锻造工件的HRC硬度小于40，具有良好切削加工性能，并且为后续的强化热处理工艺准备。本实施例中， 强化热处理采用如下工艺如图2所示：先将工件升温至550°C—750°C保温1小时，然后再升温至800°C—850°C，保温0.5小时，对于形状复杂的大尺寸工件，经过本步的两次预热保温处理以减小模具在加热过程中的冷热温差，使之内外温度均匀以降低热应力引发的变形；最后碳粉保护中升温至1150°C奥氐体化保温2小时，油淬后冷却至室温，使奥氏体至马氏体相变充分进行。再分两次分别升温至650-750°C回火保温1.5小时。可以减少残余奥氐体含量最终形成具有二次硬化效应的低碳回火马氐体。强化热处理后模具的硬度为HRC48-52，并且表面没有脱碳现象，得到具有良好耐热性能和较高的使用寿命的压铸模。
Claims (7)
1.一种新型高寿命压铸模具钢，其合金元素的质量百分比含量分别为：0.15-0.18%C, 12-14%Cr, 5-7%Mo, 9-11%Co, 0.35%V, 0.25-0.45%Nb, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的新型高寿命压铸模具钢，其特征在于，其合金元素的质量百分比含量分别为：0.15%C, 12%Cr, 5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的新型高寿命压铸模具钢，其特征在于，其合金元素的质量百分比含量分别为：0.18%C, 14%Cr, 7%Mo,11%Co, 0.35%V, 0.45%，, S <0.015%, P <0.010%，余量为铁。
4.一种采用权利要求1或2或3所述的压铸模材料制造铝镁压铸模的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：钢锭熔炼、锻造、预热处理、机械加工、强化热处理、精加工和最终检验；所述预热处理具体包括如下过程，将锻造后的工件加热至1020-1050°C，保温T min，然后在炉内降温至780-790°C保温12-16h，最后炉冷，其中保温时间T按下式计算：T=D·1.5min/1mm，式中D为工件的最大厚度尺寸。
5.根据权利要求4所述的制造铝镁压铸模的工艺方法，其特征在于，所述强化热处理工艺为将工件升温到550°C—750°C保温1小时，然后升温至1100°C—1150°C奥氐体化保温1—2小时，油淬后冷却至室温，再升温至650°C—750°C回火保温1—2小时，然后空气中自然冷却至室温。
6.根据权利要求4所述的制造铝镁压铸模的工艺方法，其特征在于，所述强化热处理工艺为将工件升温至550°C—750°C保温1小时，然后再升温至800°C—850°C，保温0.5小时，最后升温至1100°C -1150°C奥氐体化保温1-2小时，油淬后冷却至室温，再升温至650-750°C回火保温1-2小时一至二次。
7.根据权利要求5或6所述的制造铝镁压铸模的工艺方法，其特征在于，所述奥氐体化保温工艺采用保护气氛中加热或木炭粉保护中加热。
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