浅谈铝合金压铸模

一·前言铝合金以其低密度高强度越来越多得到广泛应用，经过对铝合金化学成分的组成与优化，铝合金的铸造成型工艺、热挤压加工工艺和人工时效等工艺，使铝合金的性能得到发挥，铝合金压铸类产品主要用于电子、汽车、电机、家电和一些通讯行业，一些高性能、高精度、高韧性的优质铝合金产品也被应用到大型飞机、船舶等技术要求比较高的行业中，但是其主要应用还是在一些机械零件中。

铝合金压铸工艺较其他铝合金成型工艺有其自身的优势：压铸范围广；逐渐尺寸精度高、稳定性好；表面粗糙度低；生产率高；金属利用率高；铸件强度和表面硬度高等等。

二·服役条件铝合金压铸模属于热作模具。

热作模具在工作时承受巨大的冲击力、压应力、张应力、弯曲应力，模具型腔与高温（有时可达1150～1200℃）金属接触后，本身温度可达300～400℃，局部高达500～600℃。

还经常受空气、油、水等的反复冷却，在时热时冷的苛刻条件下工作的模具，其型腔表面极易产生疲劳裂纹（即龟裂）。

此外，炽热的金属在模具型腔中变形所产生的强烈摩擦，容易因摩擦而使精度降低，因而要求热作模具钢具有足够的热强行、热疲劳性、韧性、硬度和耐磨性、良好的导热性和耐蚀性，还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。

三·材料的选择根据被加工金属的种类、负荷大小、使用温度和成形速度等条件，提出不同的要求来选用不同的热作模具钢种。

热作模具钢的ω（c）一般在0.3～0.6%，含碳量过高时，钢的韧性和塑性下降，导热性较差；含碳量过低时，硬度和耐磨性达不到要求。

热作模具钢中一般加入Cr、Mn、Ni、Si等元素以强化铁素体基体，提高钢的淬透性强度和韧性，Ni还能改善热疲劳抗力，为了细化晶粒提高强度和硬度、回火稳定性，防止回火脆性，还加入Ni、Mo、V等元素。

此外，Ni、Mo、V等元素在回火时以碳化物的形式析出产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍能保持较高的强度。

一般把热作模具钢分为三类：（1）高韧性热作模具钢 5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoVSi(H11)等，适宜制作一般的锻造模具；（2）高热强钢 3Cr2W8V、Y4、Y10、以及基体钢5Cr4Mo2W2SiV等，宜用作热挤压模、压铸模等；（3）强韧兼备的热作模具钢 4Cr5MoV1Si(H13)、HM3、4Cr5W2SiV等，宜用作热锻模、热挤压模、压铸模等、高速锻模。

目前一般用作压铸模的钢种有H13钢、3Cr2W8V钢，传统用钢是3Cr2W8V钢。

这类钢属于中耐热韧性模具钢，这类钢与低耐热高韧性热作模具钢相比主要特点是含有较多的Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素以及含碳量较低，ω（c）一般为0.32～0.45。

由于钢中含较多的Cr元素，因而具有很好的淬透性，直径100mm的棒材在空气淬火的条件下可完全淬透，故被称为空冷硬化热作模具钢。

在截面尺寸＜150mm时具有与5CrNiMo钢相近的韧性，而在工作温度500～600℃却具有更高的硬度、热强性和耐磨性。

与4Cr5MoSiV相比，H13（4Cr5MoSiV1）的热强性和硬度更高，在中温条件下具有较高的热强度，热疲劳性能、高的韧性和一定的耐磨性；在较低的奥氏体化温度条件下进行空气淬火，热变形处理变形小，空冷淬火时产生氧化皮的倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。

4Cr5MoSiV1钢，即美国钢号AISI-H13，也是日本钢号JIS-SKD61，是国际上广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢，进口设备上都配用H13钢制造的模具。

H13钢有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，即使出现了热疲劳裂纹也细而且短，不容易扩展，因此用其制作的模具生产的压铸件外观质量有很大的提高。

模具在使用前无须预热，而且可以采用自来水喷冷，以抑制模具的升温，减轻了操作工人的劳动强度。

该钢材同时具备较高的热强性，是一种强韧兼备的优质廉价钢种，既可用作热锻模材料，也可在模腔升温低于600℃的工况下用作压铸模材料。

H13钢的化学成分（质量分数）如下：C：0.32%～0.45%；Si：0.80%～1.20%；Mn：0.20%～0.50%；Cr：4.75%～5.50%； Mo：1.10%～1.7-5%；Ni≤0.25%；V：0.80%～1.20%；P≤0.03%；S≤0.03%。

H13钢的物理性能、力学性能如下：线膨胀系数αl：11.5×10-6/℃,(22～500℃)；12.2×10-6/℃,(22～800℃)；热导率λ：28.4W/(m·K) (800℃)；密度ρ：7.8g/cm3 ,(20℃)；7.7g/cm3 ,(400℃)；临界点：Ac1 860℃；Ac3 915℃；Ar1 775℃；Ar3 815℃；Ms 340℃。

四·模具的热处理工艺该铝合金压铸模的生产工艺流程图如下：下料锻造球化退火粗加工稳定处理精加工淬火两次回火钳修打磨渗碳或渗氮本文仅对模具的热处理工艺做详细研究，机加工工艺不做评述。

1 锻造经下料后须锻造成毛坯件，而不是将原料直接进行机加工成毛坯件，一方面减少材料的损耗，节约材料：另一方面，经锻造后，钢发生塑性变形，晶胞拉伸，成形变胞，沿流线方向的抗拉强度大，有利于提高毛坯件的强度。

首先对型材进行加热，加热温度1100～1160℃，始锻温度1060～1150℃，以保证锻造过程中钢处于奥氏体状态，可塑性强，终锻温度≥800℃。

2 球化退火加热保温时间和等温时间由模具材料、尺寸及加热设备类型而定，模具退火一般采用箱式炉，加热保温时间按照模具有效厚度计算，加热系数1～2min\mm。

原始组织的好坏对模具钢的韧性和冷热疲劳性能有很大的影响，为改善热作模具钢的强韧性配合，对于性能要求比较高的模具，可采用预调质处理或者采用淬火加高温回火或退火相结合的方法，以获得细小的珠光体和细小弥散分布的碳化物组织，为最终热处理提供很均匀的组织，从而使得最终热处理后能达到优良的强韧性配合。

在等温球化退火工艺的制定过程中，奥氏体化温度及等温转变温度十分重要。

奥氏体化温度较高时，未溶碳化物数量较少，奥氏体晶粒较大，而且其中的碳含量的分布也比较均匀，因而有利于球化过程的进行。

等温转变温度较低时，碳（及合金元素）在奥氏体中扩散较困难，也不利于球化过程的进行。

只有当奥氏体温度较低，等温转变温度较高的处理规程下，才能得到球化组织。

等温球化退火规范：首先毛坯入炉，随炉升温缓慢加热，加热至Ac1+（20～30℃），保温3～4h，经查表，H13钢的Ac1为860℃，故升温加热至880℃～890℃并保温3～4h；然后随炉缓冷至Ar1-（20～30℃）保温4～5h，经查表H13钢的Ar1为775℃，故升温加热至745℃～755℃并保温4～5h；然后再随炉缓冷至550℃，空冷至室温。

经硬度检测，硬度可达229HBW，共晶碳化物等级≤3级。

如果钢中的原始组织网状碳化物较严重，则需要加热到略高于Acm的温度，使碳化物网溶入奥氏体，然后再较快地冷却到Ar1一下温度进行等温球化退火。

经过球化退火，可使可切削性能大大提高；在淬火时，溶入奥氏体的碳化物较均匀；淬火开裂和淬火变形减轻；而韧性有所增加等等多方面有所改善。

3 淬火热挤压模具钢的淬火工艺过程包括预热、解热、保温、冷却和均热。

由于这类钢合金元素含量较高，钢的导热性较差，所以在对钢进行加热时必须严格控制加热速度。

1）预热在空气介质加热炉中加热时可以控制加热速度，使其以很缓慢的速度进行升温，在盐浴炉中想控制其加热速度是很困难的，因此必须采取预热的方法。

预热次数的多少取决于钢的成分和模具变形的要求：对于般要求变形不严格的模具，在不开裂的情况下预热次数可适当少些，但对于变形要求严格的模具必须多次预热。

在较低的温度预热一般是在空气介质加热炉中进行的，两段预热的加热速度必须缓慢进行，一般≤30～60℃/min。

因为钢在这个温度范围处于弹性状态，内外温差所产生的热应力一旦超过弹性极限就会开裂。

当钢的温度高于650℃开始转入塑性状态，当热应力达到一定数值时，钢将产生塑性变形，从而使内应力下降，因此此时加热速度可适当快些（≤80～100℃/min），当然对于变形要求严格的模具来书，这一段时间的加热速度仍然不必过快。

综合以上因素考虑，对于该模具使用的H13钢选择550℃、850℃两个温度进行预热。

2）淬火加热温度淬火加热温度取决于钢的成分和使用要求，对于同一种钢来说，当要求有较高的韧性时，往往采用较低的温度淬火；当要求较好的高温强度时，则采用较高的淬火温度。

对于该模具选择淬火加热温度1020～1050℃，属于完全淬火，该加热温度使钢完全奥氏体化。

淬火加热为了保证模具表面不脱碳，需采用脱氧保护良好的氯化钡盐浴炉中进行加热。

3）淬火保温时间淬火保温时间应保证使钢的原始组织能够全部形成奥氏体，同时还必须保证碳化物能够充分溶解，设溶解后含碳量和合金元素能够充分地扩散，从而达到奥氏体均匀化。

这样，保证热作模具刚具有较好的高温性能，这一点非常重要。

所以，一般热作模具钢的淬火保温时间较长，在盐浴炉中加热淬火保温时间系数一般是0.5～1min/mm，模具尺寸小，系数取上限。

4）冷却冷却以大于钢临界冷速的冷却速度冷却到室温。

中耐热韧性模具钢由于淬透性很高，一般可采用油冷或空冷，对于变形较小的模具也可采用在500～600℃等温后空冷，冷却介质的选择必须考虑到对性能的要求，同时为使冷却时热应力尽量下，故尽可能地选择冷却能力较低的介质。

对于该模具可选择油作为淬火介质。

5）均热中耐热韧性模具钢的热应力较大，为防止开裂和变形，绝对不允许冷却到室温，一般冷到150～180℃，均热后应立即回火，均热时间可按照0.6min/mm计算。

淬火后，钢获得马氏体组织，强度、硬度均有所提高，冷却后硬度为57～60HRC。

4 回火回火的目的就是使模具达到一定的硬度和韧性，并消除淬火应力。

为保证在使用中的组织稳定性和内应力尽可能小，挥回火时间必须充分，一般回火时间可按3min/mm。

但最少不低于2h。

对于二次硬化热作模具钢，淬火后组织中存在一定量的残余奥氏体，第一次回火后，在冷却过程中，这些残余奥氏体基本上转变为相应的等温产物，这些产物较脆，往往会成为开裂的根源，故必须进行第二次回火，有时为了使用上的要求也可进行第三次回火。