CN1317091C

CN1317091C - 铸造模具及其表面处理方法

Info

Publication number: CN1317091C
Application number: CNB2003801021151A
Authority: CN
Inventors: 小山弘晃; 岛村康宏; 宫内稔浩; 长谷川道治; 宫川文孝
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: US7600556B2; WO2004039517A1; JP2004148362A; TW200414948A; GB0507737D0; GB2408712B; TWI232143B; AU2003275698A1; GB2408712A; CN1708369A; JP3857213B2; US20060201650A1

Abstract

一种铸造模具的表面处理方法，该方法包括对由SCM420材料制成的固定模(12)的型腔表面进行第一喷丸硬化处理、硫代渗氮处理以及第二喷丸硬化处理。由于硫代渗氮层(32)的存在，使固定模(12)的获得的型腔表面具有700或更高的维氏硬度，并且还具有大于1200MPa的压缩残余应力以及8μm或更小的最大高度(Ry)，该最大高度是由日本工业标准定义的表面粗糙度值。

Description

铸造模具及其表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种铸造模具及其表面处理方法。具体地，本发明涉及这样一种铸造模具及其表面处理方法，该铸造模具由于较长的使用寿命而可尽可能低地减少替换频率，并且由此可降低铸件的生产成本。

背景技术

当通过铸造操作来制造铸件(例如，由铝制成的元件)时，将熔融金属铝供应至铸造模具中。因为熔融金属具有较高的温度，所以通常采用在高温下具有优良强度特性的材料SKD61(用于合金工具钢的日本工业标准)作为用于铸造模具的材料。

当在铸造模具中出现热裂纹和/或切屑(chipping)时，难以获得预定尺寸精度的铝制件。即，铝制件的成品率不利地降低。用新的铸造模具来代替其中出现了热裂纹和/或切屑的铸造模具。然而，如果替换频率增加，则铝制件的生产成本就变得昂贵，这是因为铸造模具一般较昂贵。

热裂纹是由于例如当高温熔融金属接触铸造模具时温度迅速改变(即，由于热冲击)而引起的。另一方面，切屑是由于例如在铸造操作完成之后，将铝制件从铸造模具中取出时铝制件切割柔软表面层而引起的。因此，希望铸造模具的抗热冲击性以及硬度都较高。

因此，通常对铸造模具进行表面处理。具体地，表面处理包括渗氮处理，例如盐浴法、气体法以及离子法；涂覆处理，其中利用物理气相沉积(PVD)法或化学气相沉积(CVD)法来涂覆陶瓷材料(例如，TiC和TiN)；硫代渗氮(sulphonitriding)处理，其中提供了硫化铁和一氮化二铁的混合层；以及氧化处理，其中提供了氧化铁。在日本专利公报.特开平8-144039和特开平10-204610中也提出组合多种处理方法，例如渗氮处理、渗碳处理和渗硼处理。

近年来，尝试改进铸造模具的抗热冲击性以及硬度，以减少铸造模具的替换频率，从而降低铸件的生产成本。然而，例如，当采用进行了如在日本专利公报特开平8-144039和特开平10-204610中所提出的多种处理的铸造模具时，与其中采用只进行了渗碳处理的铸造模具的情况相比，替换频率在某种程度上有所减少。但是，并未使生产成本显著降低。

也考虑了采用更廉价的SCM(用于表示铬钼钢中一种的日本工业标准)材料作为构成铸造模具的替代材料，这是因为SKD材料一般比较昂贵。然而，即使对用SCM材料制成的铸造模具进行多种上述的表面处理，也不可能充分提高抗热冲击性和硬度。因此，在许多情况下，所获得的铸造模具都不具有必要的使用寿命。

发明内容

本发明人已经研究了在铸造模具中出现热裂纹的原因，并且注意到一已知特性，即，当供应熔融金属时作用在铸造模具上的拉伸应力超过铸造模具中剩余的压缩残余应力时，趋向于出现热裂纹。基于此，试图通过在铸造模具上预先施加较大的压缩残余应力并使作用在该铸造模具上的拉伸应力小于压缩残余应力来延长铸造模具的使用寿命。

能够增加压缩残余应力的方法例如可包括喷丸硬化处理。然而，即使当仅仅对铸造模具进行喷丸硬化处理时，也不可能显著地降低铸件的生产成本，尽管可以防止出现热裂纹。

因此，本发明人对施加较大压缩残余应力的技术作了进一步研究。因此，完成本发明。

本发明的主要目的在于提供一种铸造模具及其表面处理方法，该铸造模具可尽可能低地减少替换频率，并且可显著地降低铸件的生产成本。

根据本发明的一个方面，提供了一种由钢材料制成的铸造模具，其中型腔表面的压缩残余应力大于1000Mpa，最大高度不大于16μm，并且在型腔表面的表面层上设有渗氮层。

术语“型腔表面”是指用于形成制造铸件的型腔的表面。术语“最大高度”为由日本工业标准定义的表面粗糙度。

通常，在由某种材料制成的铸造模具中剩余的压缩残余应力仅大约为200MPa。即使当进行喷丸硬化处理时，该压缩残余应力也大约为500MPa。相反，在本发明的铸造模具的情况下，型腔表面的压缩残余应力明显较大，即1000Mpa。因此，即使在铸造模具接触熔融金属时通过热冲击施加任何拉伸应力，也可防止该拉伸应力超过压缩残余应力。因此，防止了在铸造模具中出现热裂纹。换句话说，铸造模具的抗热冲击性显著提高。

而且，在本发明中，在型腔表面处存在渗氮层。因此，防止了型腔表面和熔融金属之间发生反应。而且，因为渗氮层由一氮化二铁组成，所以渗氮层较硬。因此，型腔表面较硬。因此，可防止当完成铸造操作之后取出铸件时，型腔表面被铸件切削。

即，在本发明的铸造模具中几乎不会引起热裂纹，并且本发明的铸造模具也几乎不会被切削。换句话说，本发明的铸造模具具有较高的耐用性和较长的使用寿命。因此，尽可能低地降低了替换频率。因此，可显著降低铸件的生产成本。

对铸造模具进行至少一次喷丸硬化处理。因此，表面的最大高度不大于16μm。

用于铸造模具的钢材料的优选示例包括合金工具钢(如在日本工业标准中定义的SKD材料)。在这种情况下，优选的是渗氮层的厚度不小于0.03mm，并且型腔表面的维氏硬度不小于700。

作为钢材料的另一优选示例，以铬钼钢为例(如在日本工业标准中定义的SCM材料)。也在这种情况下，优选的是，型腔表面的维氏硬度不小于700。SCM材料比SKD材料软。因此，渗氮层的厚度不小于0.1mm，以使维氏硬度不小于700。

可对本发明的铸造模具进行两次喷丸硬化处理，稍后将描述。在这种情况下，型腔表面的最大高度不大于8μm，并且压缩残余应力大于1200Mpa。因此，使铸造模具具有更好的耐用性。

优选的是，硫化铁包含于渗氮层中。当存在硫化铁时，增加了润滑作用。因此，当铸件被取出时，铸件和铸造模具之间的摩擦阻力减少。因此，也可避免铸造模具的任何切屑。

而且，在这种情况下，进一步增大了压缩残余应力值。因此，进一步提高了铸造模具的耐用性。因此，可进一步减少铸件的生产成本。

根据本发明的另一方面，提供了一种由钢材料制成的铸造模具的表面处理方法，该方法包括至少对铸造模具的型腔表面进行喷丸硬化处理和渗氮处理，从而使型腔表面的最大高度不大于16μm，并且压缩残余应力大于1000MPa。

当对铸造模具的型腔表面进行喷丸硬化处理和渗氮处理时，可获得其型腔表面的压缩残余应力极大且硬度较高的铸造模具。如上所述，这种铸造模具具有优良的耐用性。因此，该铸造模具具有较长的使用寿命。

可在渗氮处理之前进行喷丸硬化处理，反之亦然。然而，优选的是先进行喷丸硬化处理。在这种情况下，型腔表面通过喷丸硬化处理而光滑。而且，压缩应力作用在型腔表面上。因此，在硫代渗氮处理中，氮原子和硫原子易于与铁结合。

当先进行喷丸硬化处理时，优选的是在进行渗氮处理之后再次进行喷丸硬化处理，以使型腔表面的最大高度不大于8μm，并且压缩残余应力大于1200MPa。因此，可获得在耐用性方面更令人满意的铸造模具。

当采用硫代渗氮处理或使用渗氮气体的气体渗氮处理作为渗氮处理时，可进一步提高铸造模具中剩余的压缩残余应力。尤其在硫代渗氮处理的情况下，通过使渗氮层包含硫化铁而可增加型腔表面的润滑。

本发明的表面处理方法不仅可应用在未进行铸造操作的铸造模具上，而且也可应用在已经进行铸造操作的铸造模具上。在这种情况下，可再次增加由于在铸造操作中反复使用而降低的压缩残余应力。即，铸造模具再次获得耐用性，并且可避免出现热裂纹等。因此，可进一步延长铸造模具的使用寿命。

从下面结合附图的描述中本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变得更加清晰，其中以说明性示例的方式示出了本发明的优选实施例。

附图说明

图1为表示设有根据本发明实施例的铸造模具的铸造装置的主要部件的垂直剖视图；

图2为表示图1中所示的铸造装置的固定模的型腔表面的主要部分放大视图；以及

图3说明最大高度的定义。

具体实施方式

下面将参照附图详细地说明本发明的铸造模具及其表面处理方法，以附图作为优选实施例的示例。

图1为设有根据本发明实施例的铸造模具的铸造设备的示意性剖视图。铸造装置10可用于铸造作为铝铸件的未示出的气缸体。铸造装置10包括铸造模具，即固定模12、侧活动模14、16以及上活动模18。具体地，固定模12设有孔销20。套筒22安装在孔销20的外面，并因此在铸造装置中形成用于获得气缸体的型腔24。

用于形成气缸体水套的砂芯26布置在型腔24中。砂芯26由一未示出的支撑件支撑。

固定模12、侧活动模14、16以及上活动模18的每一个都具有钢材料的基底材料层，该钢材料表示为日本工业标准SCM420。如图2所示，在模12、14、16、18的每个的型腔表面上都存在硫代渗氮层32，该硫代渗氮层32形成在由SCM420材料形成的基底材料层30上。硫代渗氮层32为通过在基底材料层30中扩散硫原子和氮原子而获得的扩散层，该硫原子和氮原子源于在基底材料层30上同时施加的渗硫气体和渗氮气体，这将在后面描述。硫代渗氮层32包含渗氮层和硫化铁。

包含于硫代渗氮层32中的一氮化二铁提高了SCM420材料(固定模12)的硬度。即，如果存在硫代渗氮层32，则固定模12的型腔表面就具有较高的硬度。具体地，型腔表面的维氏硬度为大约700。

包含于硫代渗氮层32中的硫化铁为用于向固定模12施加润滑性能的成分。换句话说，由于存在硫化铁，固定模12的润滑性能显著改善。因此，可防止发生刮伤或磨伤。

优选地，硫代渗氮层32的厚度不小于0.1mm，从而使固定模12的表面层部分和型腔表面具有足够的硬度，这是因为作为固定模12材料的SCM420材料较软。为了使固定模12具有足够的硬度，硫代渗氮层32的厚度最大为大约0.2mm就足够了。

最大高度(以下也简称为“Ry”)设置为不大于16μm，通过在固定模12的型腔表面处0.8mm的取样长度和4mm的评价长度而获得该最大高度。

Ry由在日本工业标准B 0601-2001所定义那样确定，其为表示型腔表面粗糙度的指标。即，如图3所示，当对表示型腔表面微小不均匀性的粗糙度轮廓部分CV以对应于沿着平均线方向的取样长度的量进行取样或提取时，Ry则表示在所提取部分的最低谷40与最高峰42之间的高度差。

如上所述，在本实施例中，取样长度为0.8mm，而评价长度为4mm。平均线是在取样长度0.8mm内每个谷的深度和每个峰的高度的基础之上通过最小二乘法确定的直线。

在固定模12中型腔表面处的Ry不大于16μm，该固定模12可通过如稍后所述那样进行喷丸硬化处理而获得。而且，通过进行两次喷丸硬化处理，可使型腔表面的Ry为8μm或更小。

在已经进行了喷丸硬化处理的固定模12中，压缩残余应力大于1000MPa。特别地，当进行两次喷丸硬化处理时，压缩残余应力值大于1200MPa。

侧活动模14、16和上活动模18的相应型腔表面也可以如上所述相同的方式构成。

如上构成的固定模12可通过如下方式获得。即，首先，开始将SCM420作为原材料，根据已知的加工方法来制造固定模12。

然后，在第一喷丸硬化步骤中，对固定模12的型腔表面进行用于粗加工的喷丸硬化处理。具体地，使含有具有200至220目数粒径的陶瓷颗粒的水与型腔表面碰撞。在该过程中，可适用如下条件。例如，用于排放含有陶瓷颗粒的水的泵的排放压力为0.39至0.59MPa(4至6kgf/cm²)，并且陶瓷颗粒与每5cm²的型腔表面碰撞5至10秒。因此，在型腔表面上作用大约1.5至2.0MPa(15至20kgf/cm²)的压缩应力。

第一喷丸硬化步骤的结果是，型腔表面的Ry大约为12至16μm，而压缩残余应力为1000MPa。

随后，将经受第一喷丸硬化处理的固定模12容纳在加工室中，以进行硫代渗氮处理。即，使加工室中的温度保持在505℃到580℃，优选为大约570℃。之后，将氨气、硫化氢以及氢气供应至加工室内。作为氨气的组成元素的氮原子以及作为硫化氢的组成元素的硫原子扩散，并与作为SCM420材料(固定模12)的组成元素的铁相结合。因此，生成一氮化二铁和硫化铁。结果，形成了硫代渗氮层32。

如上所述，型腔表面通过第一喷丸硬化处理已经变得光滑。而且，在型腔表面上作用有压缩应力。因此，当进行硫代渗氮处理时，氮原子和硫原子容易与铁结合。即，容易进行硫代渗氮。

氢气是控制氨气和硫化氢的活性的组分。通过供应预定量的氢气可防止SCM420材料受到氨气的腐蚀。

接着，在第二喷丸硬化步骤中，对固定模12的型腔表面进行用于精加工的喷丸硬化处理。第二喷丸硬化步骤可在下列条件下进行，即，包含具有200至220目数粒径的玻璃颗粒的水和每5cm²的型腔表面撞击5到10秒，同时泵的排放压力例如为0.29到0.49MPa(3到5kgf/cm²)。

第二喷丸硬化处理的结果是，型腔表面的Ry为大约4到8μm，且压缩残余应力大于1200MPa。

因此，最终获得了固定模12，其中，在型腔表面处设有硫代渗氮层32，型腔表面的Ry不大于8μm，且压缩残余应力大于1200MPa。当然，当对侧活动模14、16和上活动模18的每个型腔表面进行相同或等同的表面处理时，可以构成具有如上所述的型腔表面的侧活动模14、16和上活动模18。

通过使用上述构成的铸造模具可以按如下方式来制造气缸体。

首先，例如通过未示出的流道和未示出的浇口，将熔融金属(例如，铝)供应至型腔24中，同时将固定模12、侧活动模14、16和上活动模18如图1所示那样夹紧。以高压(即，以大约85MPa到100MPa的压力)来铸造所供应的熔融金属。

在该过程中，即使当供应熔融金属时在模12、14、16、18上施加有拉伸应力，该拉伸应力也不会超过压缩残余应力，这是因为固定模12、侧活动模14、16和上活动模18的压缩残余应力非常大。因而，模12、14、16、18具有良好的抗热冲击性。因此，防止了在模12、14、16、18中出现热裂纹，并因此延长了模12、14、16、18的使用寿命。

而且，也防止了在铝(熔融金属)和每个模12、14、16、18之间发生反应，这是因为在每个型腔表面处都设有硫代渗氮层32。

当模冷却时，通过高压铸造加工的熔融铝得以固化。在完成固化之后，将上活动模18和侧活动模14、16与固定模12分开，以打开模具。随后，通过使用未示出的脱模杆将铸件(即，气缸体)取出。

在该过程中，因为每个型腔表面的维氏硬度由于硫代渗氮层32而不小于700，所以有效地防止了对型腔表面的切削(这在其它情况下是由于与铸件滑动接触而引起的)。即，可防止型腔表面产生切屑。

此外，在该工艺中，因为在硫代渗氮层32中含有硫化铁，所以气缸体和型腔表面之间的摩擦阻力明显较小。因此，也能够防止出现任何刮伤或磨伤。

当反复进行铸造操作时，每个模12、14、16、18的压缩残余应力逐渐降低。因此，在模12、14、16、18中有时会出现热裂纹。为了避免这个不便之处，可对其中压缩残余应力已经减少的模12、14、16、18的每一个再次施加如上所述的第一喷丸硬化处理、硫代渗氮处理以及第二喷丸硬化处理。因此，可再次增大每个模12、14、16、18的压缩残余应力。因此，可进一步延长时间直至出现热裂纹为止。

即，根据本发明实施例的表面处理方法不仅可以应用在用于铸造操作之前的模12、14、16、18上，而且也可以应用在其中由于反复用于铸造操作而导致压缩残余应力降低的每个模12、14、16、18上。因此，可进一步延长每个模12、14、16、18的使用寿命。

如上所述，通过对模12、14、16、18施加喷丸硬化处理和渗氮处理可延长每个模12、14、16、18的使用寿命。因此，尽可能低地降低了模12、14、16、18的替换频率。因此，可降低作为铸件的气缸体的生产成本。

在本发明的实施例中，进行了两次喷丸硬化处理。然而，可进行一次喷丸硬化处理。在该工艺中，喷丸硬化处理可在进行完硫代渗氮处理之后进行。

当然可以对固定模12、侧活动模14、16和上活动模18的整个表面以及型腔表面进行喷丸硬化处理和渗氮处理。

已经以SCM420材料的铸造模具为例说明了上述实施例。然而，并不是对此特别的限制。本发明可以应用于任何铸造模具，只要该铸造模具由钢材料制成即可。例如，本发明也可应用于由SKD61材料制成的铸造模具。在这种情况下，硫代渗氮层32的充分厚度为0.03mm。

硫代渗氮层32可这样获得，即，在扩散层上形成硫化铁和一氮化二铁的复合层。在这种情况下，复合层的厚度优选地不大于6μm，以避免增大脆性。

可通过采用气体渗氮代替硫代渗氮，而提供渗氮层来代替硫代渗氮层32。

如上所述，通过至少对钢材料的铸造模具的型腔表面上进行喷丸硬化处理和渗氮处理，而保持压缩残余应力并形成渗氮层。因此，改善了抗热冲击性，并且使铸造模具的表面变硬。因此，在铸造模具中几乎不会出现热裂纹和切屑，并因此显著地延长了铸造模具的使用寿命。即，降低了铸造模具的替换频率。因此，可降低铸件的生产成本。

Claims

1.一种铸造模具(12)，其由钢材料制成，其中，型腔表面的压缩残余应力大于1000MPa，最大高度(Ry)不大于16μm，并且在所述型腔表面的表面层上设有渗氮层(32)。

2.根据权利要求1所述的铸造模具(12)，其特征在于，所述型腔表面的维氏硬度不小于700，所述渗氮层(32)的厚度不小于0.03mm，并且所述钢材料为合金工具钢。

3.根据权利要求1所述的铸造模具(12)，其特征在于，所述型腔表面的维氏硬度不小于700，所述渗氮层(32)的厚度不小于0.1mm，并且所述钢材料为铬钼钢。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的铸造模具(12)，其特征在于，所述型腔表面的所述压缩残余应力大于1200MPa，并且所述最大高度(Ry)不大于8μm。

5.根据权利要求1所述的铸造模具(12)，其特征在于，所述渗氮层(32)包含有硫化铁。

6.一种由钢材料制成的铸造模具(12)的表面处理方法，包括对所述铸造模具(12)的至少型腔表面进行喷丸硬化处理和渗氮处理，以使所述型腔表面的最大高度(Ry)不大于16μm，并且压缩残余应力大于1000MPa。

7.根据权利要求6所述的铸造模具(12)的表面处理方法，其特征在于，在进行完所述喷丸硬化处理之后进行所述渗氮处理。

8.根据权利要求7所述的铸造模具(12)的表面处理方法，其特征在于，在进行完所述渗氮处理之后再次进行所述喷丸硬化处理，以使所述型腔表面的所述最大高度(Ry)不大于8μm，并且所述压缩残余应力大于1200MPa。

9.根据权利要求6到8中任一项所述的铸造模具(12)的表面处理方法，其特征在于，所述渗氮处理为硫代渗氮处理或使用渗氮气体的气体渗氮处理。

10.根据权利要求6所述的铸造模具(12)的表面处理方法，其特征在于，在已经用于铸造操作的所述铸造模具(12)上应用所述表面处理方法。