1.5压铸模零件材料选择及热处理技术要求

1.5.1压铸模所处的工作状态及对模具的影响

① 熔融的金属液以高压、高速进入型腔，对模具成型零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，使模具表面产生腐蚀和磨损，压力还会造成型芯的偏移和弯曲。

② 在填充过程中，金属液、杂质和熔渣对模具成型表面会产生复杂的化学作用，加速表面的腐蚀和裂纹的产生。

③ 压铸模具在较高的工作温度下进行生产，所产生的热应力是模具成型零件表面裂纹乃至整体开裂的主要原因，从而造成模具的报废。在每一个铸件生产过程中，型腔表面除了受到金属液的高速、高压冲刷外，还会吸收金属在凝固过程放出的热量，产生热交换，模具材料因热传导的限制，型腔表面首先达到较高温度而膨胀，而内层模具温度则相对较低，膨胀量相对较小，使表面产生压应力。开模后，型腔表面与空气接触，受压缩空气和涂料的激冷而产生拉应力。这种交变应力反复循环并随着生产次数的增加而增长，当交变应力超过模具材料的疲劳极限时，表面首先产生塑性变形，并会在局部薄弱之处产生裂纹。

1.5.2影响压铸模寿命的因素及提高寿命的措施

压铸模是在高温、高压、高速的恶劣条件下工作，所以对模具寿命影响较大。因此，金属压铸模的使用寿命是压铸行业近年来非常关注的问题。影响压铸寿命的因素有很多，如压铸件的结构、模具结构与制造工艺、压铸工艺、模具材料等，而提高模具寿命应从这些方面着手。

（1）铸件结构设计的影响

① 在满足铸件结构强度的条件下，宜采用薄壁结构。除了可减轻铸件重量和节省原材料外，也减少了模具的热载荷。铸件的壁厚也必须满足金属液在型腔中流动和填充的需要。

② 铸件壁厚应尽量均匀，以减少局部热量集中而加速局部模具材料的热疲劳。

③ 在压铸件转角处应有适当的铸造圆角，避免在相应部位形成棱角、尖角，防止因成型零件的强度受到影响而产生裂纹或塌陷，也有利于改善填充条件。

④ 铸件上应尽量避免有窄而深的凹穴，以免成型零件相应部位出现窄而高的凸台，凸台受到冲击会弯曲、断裂，并使散热或排气条件恶化。

（2）模具设计的影响

① 模具中各结构件应有足够的强度和刚性，特别是成型零件应具有耐热性能和抗冲击性能。在金属液填充压力和高速的金属流的冲击作用下，不会产生较大的变形。导滑元件应有足够的刚度和表面耐磨性，保证模具使用过程中起导滑、定位作用。所有与金属液相接触的部位，均应选用耐热钢，并采取合适的热处理工艺。套板选用中碳钢并进行调质处理（也可选用球墨铸铁、铸钢、P20等）。

② 正确选择各元件的公差配合和表面粗糙度，应考虑到模具温度对配合精度的影响，使模具在工作温度下，活动部位不致引起因热膨胀而产生动作不灵活和被咬死或窜入金属液的现象，固定部位不致产生松动。

③ 设计浇注系统时，应尽量避免内浇口直对型芯，防止型芯受到金属液的正面冲击或冲刷而产生变形或冲蚀。尽量避免浇口、溢流槽、排气槽靠近导柱、导套和抽芯机构，以免金属液窜入。有时适当增大内浇口截面积会提高模具使用寿命。

④ 合理采用镶块组合结构，避免锐角、尖劈，以适应热处理工艺要求。设置推杆和型芯孔时，应与镶块边缘保持一定的距离，溢流槽与型腔边缘也应保持一定距离。

⑤ 易损的成型零件应尽量采用单独镶拼的方法，以便损坏时可以很方便地局部更换，以提高压铸模的整体使用寿命。

⑥ 在设计压铸模时，应注意保持模具的热平衡，尤其是大型或复杂的模具，通过溢流槽、冷却系统合理设计，采用合理的模具温控系统，会大大提高模具寿命。

（3）模具钢材及锻造质量的影响

经过锻造的模具钢材，可以破坏原始的带状组织或碳化物的积集，提高模具钢的力学性能。为充分发挥钢材的潜力，应首先注意它的洁净度，使该钢的杂质含量和气体含量降到最低。目前，压铸模耐热钢普遍采用4Cr5MoSiVi（H13）钢，并采用真空冶炼或电渣重熔。经电渣重熔的H13钢比一般电炉生产的疲劳强度提高25%以上，疲劳的趋势也较缓慢。

作为型腔和大型芯的钢坯应通过多向复杂锻打，控制碳化物偏析和消除纤维状组织及方向性。锻材内部不允许有微裂纹、白点、缩孔等缺陷。

锻件应进行退火，以达到所要求的硬度和金相组织。

型芯、镶块等模块应进行超声波探伤检查合格后方可使用。

（4）模具加工及加工工艺的影响

① 成型零件除保证正确的几何形状和尺寸精度外，还需要有较好的表面质量。在成型零件表面上，如果有残留的加工痕迹或划伤痕迹，特别是对于高熔点合金的压铸模，该处往往会成为裂纹的起始点。

② 导滑件表面应有较好的表面光洁程度，防止移动擦伤，影响使用寿命。

③ 模体的各模板在锻造后，应进行等温退火处理，以消除锻造应力，防止在装配和使用时产生应力变形。

④ 复杂或大型的成型零件，在粗加工或电加工后，应安排一次消除应力处理，以防止变形。

⑤ 成型零件出现尺寸或形状差错需留用时，尽量采用镶拼补救的办法。小面积的焊接有时也允许使用（采用氩弧焊焊接）。焊条材料必须与所焊接工件完全一致，严格按照焊接工艺，充分并及时完成好消除应力的工序，否则在焊接过程中或焊接后易产生开裂。

（5）热处理的影响

通过热处理，特别是对成型零件的热处理，可改变模具材料的金相组织，以保证必要的强度和硬度，高温下尺寸的稳定性、抗热疲劳性能和材料的切削性能等。热处理的质量对压铸模使用寿命起着十分重要的作用，如果热处理不当，往往会导致模具损伤、开裂而过早报废。对热处理的基本要求如下。

① 热处理后的零件要求变形小，尽量减少残余应力的存在。

② 热处理后，不出现畸变、开裂、脱碳、氧化和腐蚀等疵病。

③ 具有合适的强度和硬度，并保持一定的抗冲击性能。

④ 增加成型表面的耐磨性和抗黏附性能。

采用真空或保护气氛热处理，可以减少脱碳、氧化、变形和开裂。成型零件淬火后应采用两次或多次的回火。实践证明，只采用调质（不进行淬火）再进行表面氮化的工艺，往往在压铸数千模次后会出现表面龟裂和开裂，其模具寿命较短。

（6）压铸生产工艺的影响

① 压铸生产前的模具预热，对模具寿命的影响很大。不进行模具的预热，高温的金属液在填充型腔时，低温的型腔表面受到剧烈的热冲击，致使成型零件内外层产生较大的温度梯度，容易造成表面裂纹，甚至开裂。

② 在压铸生产过程中，模具温度逐步升高。当模温过热时，会使压铸件产生缺陷、粘模或活动的结构件抱紧失灵的现象。为降低模温，绝不能采用冷水直接冷却过热的型腔、型芯表面。一般模具应设置冷却通道，通进适量的冷却水以控制模具生产过程的温度变化。有条件时，提倡使用模具温控系统，使模具在生产过程中保持在适当的工作温度范围内，模具寿命可以大大延长。

③ 在压铸过程中，对成型部位涂料的选用和使用方法以及相对移动部位的润滑，对模具的使用寿命也会产生很大影响。

④ 在较长的压铸运作中，热应力的积累也会使模具产生开裂。因此，在投产一定的批量后，对成型零件进行消除热应力回火处理或采用振动的方法消除应力，也是延长模具寿命的必要措施。回火温度可取480～520℃（采用真空炉进行回火温度可取上限），此外，也可用保护气氛回火或装箱（装铁粉）进行回火处理。需要进行消除热应力的生产模次推荐值见表1-15。

1.5.3压铸模材料的选择和热处理

（1）压铸模使用材料的要求

① 与金属液接触的零件材料要求

a.具有良好的可锻性和切削性能。

b.高温下具有较高的红硬性，较高的高温强度、高温硬度、抗回火稳定性和冲击韧度。

c.具有良好的导热性和抗热疲劳性。

d.具有足够的高温抗氧化性。

e.热膨胀系数小。

f.具有高的耐磨性和耐腐蚀性。

g.具有良好的淬透性和较小的热处理变形率。

② 滑动配合零件使用材料的要求

a.具有良好的耐磨性和适当的强度。

b.具有适当的淬透性和较小的热处理变形率。

③ 套板和支承板使用材料的要求

a.具有足够的强度和刚性。

b.易于切削加工。

c.使用过程不易变形。

（2）压铸模主要零件的材料选用及热处理要求

压铸模主要零件的材料选用及热处理要求见表1-16。

（3）钢材硬度与抗拉强度的换算

钢材的硬度值在一定程度上表示钢材抗拉强度，抗拉强度随硬度增加而升高，其硬度与抗拉强度的关系见表1-17。

（4）压铸模具常用钢的化学成分

压铸模具常用钢的化学成分见表1-18。

（5）压铸模具常用钢的物理常数

压铸模具常用钢的物理常数见表1-19。

（6）压铸模具常用钢材国内、外钢号对照

压铸模具常用钢材国内、外主要工业国家钢号的对照见表1-20。

注：（）为标准名称。

（7）压铸模具镶块常用材料的热处理工艺

压铸模成型部位（动、定模镶块、型芯等）及浇注系统使用的热模具钢必须进行热处理，为保证热处理质量，避免出现畸变、开裂、脱碳、氧化和腐蚀等疵病，可在盐浴炉、保护气氛炉装箱保护加热或在真空炉中进行热处理。尤其是在高压气冷真空炉中淬火，质量最好。

淬火前应进行一次除应力退火处理，以消除加工时残留的应力，减少淬火时的变形程度及开裂危险。淬火加热宜采用两次预热，然后加热到规定温度，保温一段时间，然后油淬或气淬。

模具零件淬火后即进行回火，以免开裂，回火次数2～3次。

压铸铝、镁合金用的模具硬度为43～48HRC最适宜。为防止粘模，可在淬火处理后进行软氮化处理。

压铸铜合金的压铸模硬度宜取低些，一般不超过44HRC。

① 4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺

a.毛坯锻轧后进行退火工艺，见图1-8。

b.机械加工过程消除应力退火工艺，见图1-9。

c.淬火工艺，见表1-21、表1-22和图1-10。

注：气淬真空时炉淬火冷却介质为高纯度氮气。

d.回火工艺，见表1-23和图1-11。

② 3Cr2W8V钢的热处理工艺

a.毛坯锻轧后进行退火工艺，见图1-12。

b.机械加工过程消除应力退火工艺，见图1-13。

c.淬火工艺。见表1-24和图1-14。

d.回火工艺，见表1-25和图1-15。

③ 由于进口热模具钢品种、牌号很多，应按供应商提供的工艺要求进行热处理。