2004年第4期2004年 8月
铸造设备研究
RESEARCHSTUDIESONFOUNDRYEQUIPMENT
Aug.2004 №4
・综述・
挤压铸造用模具材料的选用
王建宏,龙思远
(重庆大学机械工程学院,重庆 400044)
摘 要:挤压铸造是一种先进的机械零件液态成形技术,具有工艺适用性好、工艺出品率高、机械化程度高、生产率高、劳动条件较好等优点。本文主要介绍了挤压铸造各种合金对模具材料的性能要求,在挤压铸造生产中模具材料的选用情况以及目前国内外新型模具材料的研究进展。 关键词:挤压铸造;模具材料;性能要求
中图分类号: TG24919 文献标识码:A 文章编号:1004-6178(2004)04-0036-04
TheSelectionofMouldMaterialsforSqueezeCasting
WANGJian2hong,LONGSi2yuan
(CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)
Abstract:Squeezecastingisanadvancedliquidformationtechniqueformachineparts,andhastheadvantagesofhighadaptabili2
ty,highefficiency,highmechanizationdegreeandgoodworkcondition.Thefunctionalrequirementsandselectionofmouldmaterialsinsqueezecasting,andtheresearchheadwayofnewtypemouldmaterialswerespecifiedinthispaper.
Keywords:squeezecasting,mouldmaterials,functionalrequirement
挤压铸造是一种先进的机械零件液态成形技
术,具有工艺适用性好、工艺出品率高、机械化程度高、生产率高、劳动条件较好等优点,其生产出的挤压铸件致密度高、组织均匀、晶粒细化、尺寸精度高、无内部缩孔和气孔、可热处理、力学性能与模锻相当,可用于各种有色合金,并能成形复杂零件,是一种很有发展前途的工艺方法。在挤压铸造生产过程中,模具材料的选择对铸件的质量和模具的寿命有着十分重要的影响。若模具材料的选择不当,将会导致铸件的外形尺寸和表面质量出现问题,并降低
[1、2]
模具的使用寿命。1 挤压铸造模具
111 挤压铸造模具的主要作用
112 对模具材料的要求
由于在挤压铸造过程中,挤压铸造模具既要接
触高温金属熔体,又要承受一定的压力,因此要求模具材料具有优良的热稳定性、抗热疲劳性、抗氧化性、导热性、高的淬透性以及较低的线膨胀系数。从生产的角度出发,挤压铸造模具还必须具备操作方便、生产率高、寿命长和成本低等要求,并能保证铸件的外形尺寸、表面质量和内部组织[1]。对模具材料的具体要求为:①高温下具有较高的强度、硬度、耐磨性和适当的塑性,并在长期的冷却加热工作过程中,组织与性能保持稳定;②具有良好的抗热疲劳性能,有良好的抗裂纹扩展能力;③高温下不易氧化,能抵抗液态金属的粘焊和熔蚀;④导热性好,热膨胀系数小。
2 挤压铸造模具材料的选用
由于挤压铸造是将液态金属直接浇入金属型腔
内,然后在一定的时间内以一定的压力作用于熔融或半熔融态的金属熔体使之成形,并使金属熔体在此压力下结晶,因此挤压铸造模具的主要作用为:①保证液态金属在充分压力下结晶成型;②对正在结晶的金属熔体直接施加机械压力,用施加的压力补偿凝固和冷却收缩,消除铸件的缩孔缩松缺陷;③进行铸件的热交换,并通过与铸件的热交换使金属熔体凝固成型。
收稿日期:2004-02-13
作者简介:王建宏(1978-),男,硕士。
模具材料的选择,应该根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要,结合模具材料的基本性能和相关的因素,来选择适合模具需要的、经济上合理的、技术上先进的模具材料。同时还必须兼顾到模具的使用性能要求,这是因为模具的使用性能不但决定着模具生产效率的大小,还决定着模具操作的可靠性[10]。如果模具材料选择不当,则必将影响铸
2004年第4期 王建宏,等:挤压铸铸造用模具材料的选用37
件质量,导致模具寿命低下,降低生产效率,并使生产成本增加。要取得最佳的技术经济效益,就要根据不同的生产批量、工艺方法和加工对象合理的选用模具材料。例如,在大批量生产中,可选用硬质合金或高强韧、高耐磨模具钢等长寿命的模具材料以满足大批量生产需求;在中等批量生产中,选用通用模具钢;若是小批量生产或新产品试制,则可采用锌
〔7、11〕
合金、铋锡合金等低熔点合金模具材料。对于容易变形失效的模具,需要材料有足够强度和尺寸稳定性;对于容易磨损失效的模具,要求材料具有较高的硬度;对于容易疲劳失效的模具,则要求材料有足够的韧性。总而言之,模具选材既要满足模具的工作条件,又要满足其工艺性能要求,还要考虑经济情况。具体到挤压铸造模具材料的选用,则主要是依据铸造合金的浇注温度、组成型腔各零件的工作条件和材料货源等情况而定。具体情况如下:2.1挤压铸造铝、镁和锌等低熔点合金用模具材料
铝、镁、锌等合金的浇注温度分别在600℃～740℃、630℃～680℃、400℃～450℃之间。模具工作过程中的主要损坏形式是机械磨损。对锌合金而言,由于其温度较低,故除常用模具钢外,也可采用合金结构钢制造模具,甚至可采用低碳钢。但一般选用热模工具钢作为模具材料,经调质处理后再进行氮化或氰化等表面处理。以前我国长期使用3Cr2W8V钢,但因其塑性、韧性较差,现在已推广使用综合性能更优的4Cr5MoSiV1(H13)钢,二者的使用寿命均可达数万件以上。目前国内已有单位研制出性能优于3Cr2W8V钢的替代钢种。但是对镁合金来说,由于其浇注温度为630℃～680℃且要求一定的合金过热度,而4Cr5MoSiV1钢当使用温度高于650℃时其高温性能严重下降。因此难以保证镁合金铸件质量。可考虑使用HDM1、HDM2、HM1、8407等。
2.2 挤压铸造铜合金用模具材料
铜合金的浇注温度约为900℃～1180℃,模具在工作过程中出现的粘焊、热疲劳裂纹、表面氧化等
〔1〕
损坏比铝合金严重的多。目前模具材料主要采用3Cr2W8V等铬钨钒钢,并经调质处理,也可采用4Cr5MoSiV1钢。模具寿命一般在千件以上。对于
冲头、型芯等受热、受力较大的零件,为提高其寿命,也可采用难熔金属。如钨基合金Anviloy1150,其化学成分为90%W、4%Mo、4%Ni和2%Fe,采用粉末冶金方法生产。由于钨合金熔点很高,液态金属对其润湿性低、粘附性小,不易造成粘焊、熔蚀等模具损伤,并且钨合金在600℃以上的高温性能高于钢,因此适用于铜合金用模具。与其类似的还有MTZ钼基合金、镍基高温合金Inconel718以及上海钢铁研究所研制的GH-761、GH-4145等难熔金属及高温合金。但是,使用难熔金属及高温合金
〔1〕
将会导致成本提高,并使加工困难。2.3 挤压铸造黑色金属用模具材料
钢和铸铁的浇注温度约在1300℃～1600℃之间,模具在工作过程中的主要损坏形式是热疲劳裂纹和熔蚀。因此,模具零件多采用铬钨钒或铬钼钒等模具钢,并经调质处理。若模具尺寸精度要求不高,也可采用低碳钢。黑色金属用模具的使用寿命一般只有几百件到几千件,冲头和型芯的寿命则更短。最为常用的3Cr2W8V钢由于其热疲劳抗力差,使用寿命很低。模具的低寿命已成为黑色金属挤压铸造中的难题。目前,国内外正在大力研究使用钼、钨或铌基难熔合金,铁、钴、镍基耐热合金以及其它材料。如上文提到的钨基合金Anviloy1150、MTZ钼基合金、镍基高温合金Inconel718、GH-761等几种合金也同样适用于挤压铸造黑色金属用
模具材料。表1是挤压铸造型腔零件选材的一般情况。
1〕
表1 挤压型腔各零件选材一般情况〔
模具零件名称
锌合金铸件用模具
凹 型镶 块
冲 头型 芯芯 轴
推 杆卸料套筒
5CrNiMo5CrMnMo4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV15CrNiMo5CrMnMo40CrT8～T10
型腔零件选材情况
铝、镁合金铸件用模具
4Cr5MoSiV13Cr2W8V4Cr5MoSiV3Cr2W8V4Cr5MoSiV15CrNiMo4Cr5MoSiV13Cr2W8V
铜合金铸件用模具
3Cr2W8V4Cr5W2VSi3Cr2W8V
黑色金属铸件用模具
3Cr2W8V3Cr2W8Co5V4Cr5MoSiV1
难熔金属Inconel718
3Cr2W8V3Cr2W8Co5V
难熔金属
3Cr2W8Co5V3Cr2W8V4Cr5W2VSi4Cr5MoSiV1
3Cr2W8V4Cr5MoSiV1
38
铸 造 设 备 研 究 2004年第4期
和铜的挤压铸造模具。
3.5 QRO-90
QRO-90是瑞典ASSAB公司专利所有的一种高寿命的铬-钼-钒热作合金工具钢,其成分为w(C)=0.38%、w(Si)=0.30%、w(Mn)=0.75%、w(Cr)=2.6%、w(Mo)=2.25%、w(V)=0.9%。由于QRO-90采用了特别的炼钢技术如电渣重熔,因此其具有极佳的高温强度和高温硬度、极佳的热传导性、良好的抗热疲劳性、极好的抗回火软化能力以及良好的热处理特性。将其用于铝合金和铜合金挤压铸型的压头及模套,寿命高于4Cr5MoSiV1钢。该钢由上海ASSAB模具技术有限公司销售。3.6 8407
8407是铬、钼、钒合金工具钢,是瑞典ASSAB公司开发出来的H13改良钢种,具有优良的耐热冲击性能和抗龟裂能力、高的高温强度、优良的淬透性以及良好的热处理尺寸稳定性。相比于H13,8407的等向性(各相同性)更佳。这对于模具的抗机械疲劳及热应力疲劳性能更具价值,因此采用8407的模具硬度可比普通H13提高1～2HRC而不会牺牲韧性。硬度提高可以减缓热龟裂的发生,从而提高模具寿命。8407可用于铝镁合金、铜合金或不锈钢等的挤压铸造模具零件。该钢由上海ASSAB模具技术有限公司销售。3.7 其它钢种常用作型腔零件的还有一些其它钢种:如4Cr5W2VSi,4Cr5MoSiV,5CrNiMo,5CrMnMo,3Cr2W8CoV等。其中3Cr2W8CoV是国外新发展的钢种,与3Cr2W8V相比,用于铸造铝合金的寿命
[1]
可提高三倍,用于铸造小钢件,寿命可提高两倍。此钢也同样适用于铜合金和黑色金属铸造。3.8 国内新研制的钢种
目前国内一些科研单位已研制成功了一些新型热作模具钢,其中一些已经得到了广泛的应用。主要内容见表3。4 展望
3 几种典型的挤压铸造模具用钢
对挤压铸造模具而言,模具用钢若选择不当,挤
压铸造模具在服役时就会出现早期失效。模具发生早期失效,大部分是由于工作硬度过高而导致早期断裂,少部分是由于工作硬度过低而呈现早期变形或磨损。挤压铸造模具用钢的合理选择,主要根据挤压铸造模具的服役条件来进行。3.1 3Cr2W8V钢
3Cr2W8V钢曾经是我国挤压铸造模具和压模具中最常用的型腔零件材料,属高耐热性热作模具钢。3Cr2W8V钢虽然具有较高的高温强度和热稳定性,但韧性低,耐磨性能差,热疲劳抗力低,脆性大,常因尖角部首先出现细微裂纹,然后逐渐扩大而使模具失效,或因受高温合金磨蚀,工作带出现沟痕而使模具早期失效。目前已较少使用。3.2 4Cr5MoSiV1
4Cr5MoSiV1是一种空冷硬化的热作模具钢,也是所有热作模具钢中最广泛使用的钢号之一。与此相类似的牌号,美国为H-13,日本为SKP61。近20年来,我国对4Cr5MoSiV1钢进行了比较系统的研究和推广工作,4Cr5MoSiV1钢现已广泛用于制作锻造压力机模块、压铸模具、挤压铸造模具等,取得了很好的使用效果。在4Cr5MoSiV1钢中添加铬可提高淬透性和抗氧化性,钼可提高钢的回火稳定性、热硬性和淬透性。钒形成稳定碳化物,以提高耐热性。所以此钢具有良好的耐热性、耐蚀性和淬透性。3.3 HM1(3Cr3Mo3W2V)
该钢为我国自行研制成功的新钢种,具有优良的强韧性,较高的热强性、耐磨性、回火稳定性,抗冷热疲劳性,冷热加工性能好,工作温度在700℃以下。该钢通用性强,已纳入国家标准,适于制作在高温、高速、高负荷、急冷急热条件下工作的模具,其性能优于4Cr5W2VSi和3Cr2W8V钢,模具寿命比3Cr2W8V钢提高2～3倍。3.4 HD钢(4Cr3Mo2NiVNb)
HD钢的化学成分为w(C)=0.35%～0.45%、w(Si)≤0.34%、w(Mn)≤0.40%、w(Cr)=2.50%～3.00%、w(Mo)=1.80%～2.20%、w(V)=1.00%～1.40%、w(Ni)=0.80%～1.20%。其中加入了一定量的Cr、Mo、V等合金元
模具材料的选择对挤压铸造的生产有着重要的
影响。研究出适合各种合金的挤压铸造用模具材料是保证挤压铸件的质量、提高挤压铸造模具的寿命十分重要的一环。在挤压铸造未来的发展过程中,就模具材料而言,我们应着重考虑在充分发挥现有模具材料潜能的基础上,研制新的模具材料。面对我国模具技术的现状,除继续引进和研制高性能的模具新钢种外,更应注意研究模具的工作条件、失效机理,模具钢的强韧化处理新工艺。
素,旨在通过强化基体并形成有效的强化第二相,提高钢的高温性能。该钢高温强度较高,热稳定性及塑韧性较好,相比于3Cr2W8V钢具有更好的综合力学性能,能够提高模具的使用寿命3倍左右[32],适用于制造700℃或更高温度下的热作模具。如钢
2004年第4期 王建宏,等:挤压铸铸造用模具材料的选用39
表3 国内研制的一些新型热作模具钢
钢号
4Cr3Mo2MnVB
代号或简称
ER8
简 介
具有良好的热强性、红硬性、耐磨性,高的冲击韧性和抗冷热疲劳性,高的抗震性
具有高的热强性及热稳定性,良好的韧性、导热性及工艺性能,可用于铜合金挤压铸造模具
相比于3Cr2W8V钢,具有抗冷热疲劳性能好、热处理
研制单位上海材料研究所
4Cr3Mo2MnVNbBY4上海材料研究所
4Cr5Mo2MnVSiY10变形小、抗铝溶损性能好等优点,可用于铝合金挤压铸造模具
上海材料研究所
4Cr3Mo2NiVNb3Cr3Mo3W2V2Cr3Mo3VNb5Cr4W5Mo2V
HDHM-1HM-3RM2
具有良好的室温与高温力学性能,良好的热稳定性及工艺性能
具有高的强韧性和抗冷热疲劳性能,热稳定性好是参照美国(AISI)H10钢的改进钢种,钢中加Nb起强化作用
该钢可替换3Cr2W8V钢,模具寿命可提高数倍热作、冷作兼用的模具钢,具有良好的强韧性、耐磨性
华中理工大学北京机电研究所首钢特钢公司北京机电研究所北京机电研究所第一汽车制造厂
6Cr4Mo3Ni2WVCG-2和热疲劳抗力大等特点,可代替3Cr2W8V钢。该钢还可软氮化处理,以强化其性能,提高模具寿命热作模具用高温合金,该合金在900℃时仍有高的强
上海钢铁研究所
-GH-761度和抗磨损能力,可用于铜合金和黑色金属用挤压铸造模具
上海钢铁研究所
[15] 上海交通大学锻压教研组.液态模锻[M].北京:国防工业出
版社,19811
参考文献:
[1] 齐丕骧.挤压铸造[M].北京:国防工业出版社,19841
[2] 印飞,等.挤压铸造的应用与模具材料[J].机械工程材料,
2000,24(2):28～291
[3] 齐丕骧.面向21世纪的挤压铸造技术[J].特种铸造及有色合
[16] 刘静安.挤压模具技术的理论与实践[M].重庆:科学技术文
献出版社重庆分社,19891
[17] 冯晓曾,等.模具用钢和热处理[M].北京:机械工业出版社,
19841
[18] 齐丕骧.国内外挤压铸造技术发展概况[J].特种铸造及有色
金.1998,(4):32～361
[4] 特种铸造手册[M].北京:机械工业出版社,19841
[5] 徐进,等.模具材料应用手册[M].北京:机械工业出版社,
20011
[6] 洪慎章,等.铝合金车轮挤压铸造工艺[J].特种铸造及有色合
合金,2002,(2):20～231
[19] 罗继相.我国挤压铸造技术的回顾及展望[J].铸造,2003,
(1):1～61
[20] 罗继相.间接挤压铸造模具设计特点及研究[J].特种铸造及
有色合金,2002,(1):38～401
[21] 谢东柏,等.挤压轮失效分析及热处理工艺改进[J].机械工程
金,1999,(6):22～241
[7] 韦烨然.提高模具寿命的途径[J].洪都科技.20011
[8] 陈再枝,蓝德年.模具钢手册[M].北京:冶金工业出版社.
20021
[9] 周敬恩.模具材料选用、热处理与使用寿命[J].金属热处理,
1999,(5):1～101
[10] H.瑞斯.模具工程[M].北京:化学工业出版社,19991[11] 模具制造手册(第二版)[M].北京:机械工业出版社,19981[12] 骆志斌,等.模具工实用技术手册[M].南京:江苏科学技术出
材料,2002,(7):22～321
[22] 潘振鹏,等.我国高强度热作模具钢的研究和应用[J].特殊
钢,2003,(1):1～51
[23] 王德文.模具实用技术200例[M].北京:冶金工业出版社,
19901
[24] 冯晓曾.提高模具寿命指南-选材及热处理[J].机械工程材
料,19941
[25] 金涤尘,宋放之.现代模具制造技术[M].北京:机械工业出版
版社,19991
[13] 彭建声,等.模具技术问答[M].北京:机械工业出版社,19991[14] 许发樾,等.模具材料与使用寿命[M].北京:机械工业出版
社,20011
[26] 李智诚,等.世界常用钢材手册[M].北京:中国物资出版社,
19951
[27] 刘树勋,等.新型压铸镁合金用热作模具钢的组织与性能[J].
社,20001
机械工程材料,2002,(9):27～301
2004年第4期2004年 8月
铸造设备研究
RESEARCHSTUDIESONFOUNDRYEQUIPMENT
Aug.2004 №4
・综述・
挤压铸造用模具材料的选用
王建宏,龙思远
(重庆大学机械工程学院,重庆 400044)
摘 要:挤压铸造是一种先进的机械零件液态成形技术,具有工艺适用性好、工艺出品率高、机械化程度高、生产率高、劳动条件较好等优点。本文主要介绍了挤压铸造各种合金对模具材料的性能要求,在挤压铸造生产中模具材料的选用情况以及目前国内外新型模具材料的研究进展。 关键词:挤压铸造;模具材料;性能要求
中图分类号: TG24919 文献标识码:A 文章编号:1004-6178(2004)04-0036-04
TheSelectionofMouldMaterialsforSqueezeCasting
WANGJian2hong,LONGSi2yuan
(CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)
Abstract:Squeezecastingisanadvancedliquidformationtechniqueformachineparts,andhastheadvantagesofhighadaptabili2
ty,highefficiency,highmechanizationdegreeandgoodworkcondition.Thefunctionalrequirementsandselectionofmouldmaterialsinsqueezecasting,andtheresearchheadwayofnewtypemouldmaterialswerespecifiedinthispaper.
Keywords:squeezecasting,mouldmaterials,functionalrequirement
挤压铸造是一种先进的机械零件液态成形技
术,具有工艺适用性好、工艺出品率高、机械化程度高、生产率高、劳动条件较好等优点,其生产出的挤压铸件致密度高、组织均匀、晶粒细化、尺寸精度高、无内部缩孔和气孔、可热处理、力学性能与模锻相当,可用于各种有色合金,并能成形复杂零件,是一种很有发展前途的工艺方法。在挤压铸造生产过程中,模具材料的选择对铸件的质量和模具的寿命有着十分重要的影响。若模具材料的选择不当,将会导致铸件的外形尺寸和表面质量出现问题,并降低
[1、2]
模具的使用寿命。1 挤压铸造模具
111 挤压铸造模具的主要作用
112 对模具材料的要求
由于在挤压铸造过程中,挤压铸造模具既要接
触高温金属熔体,又要承受一定的压力,因此要求模具材料具有优良的热稳定性、抗热疲劳性、抗氧化性、导热性、高的淬透性以及较低的线膨胀系数。从生产的角度出发,挤压铸造模具还必须具备操作方便、生产率高、寿命长和成本低等要求,并能保证铸件的外形尺寸、表面质量和内部组织[1]。对模具材料的具体要求为:①高温下具有较高的强度、硬度、耐磨性和适当的塑性,并在长期的冷却加热工作过程中,组织与性能保持稳定;②具有良好的抗热疲劳性能,有良好的抗裂纹扩展能力;③高温下不易氧化,能抵抗液态金属的粘焊和熔蚀;④导热性好,热膨胀系数小。
2 挤压铸造模具材料的选用
由于挤压铸造是将液态金属直接浇入金属型腔
内,然后在一定的时间内以一定的压力作用于熔融或半熔融态的金属熔体使之成形,并使金属熔体在此压力下结晶,因此挤压铸造模具的主要作用为:①保证液态金属在充分压力下结晶成型;②对正在结晶的金属熔体直接施加机械压力,用施加的压力补偿凝固和冷却收缩,消除铸件的缩孔缩松缺陷;③进行铸件的热交换,并通过与铸件的热交换使金属熔体凝固成型。
收稿日期:2004-02-13
作者简介:王建宏(1978-),男,硕士。
模具材料的选择,应该根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要,结合模具材料的基本性能和相关的因素,来选择适合模具需要的、经济上合理的、技术上先进的模具材料。同时还必须兼顾到模具的使用性能要求,这是因为模具的使用性能不但决定着模具生产效率的大小,还决定着模具操作的可靠性[10]。如果模具材料选择不当,则必将影响铸
2004年第4期 王建宏,等:挤压铸铸造用模具材料的选用37
件质量,导致模具寿命低下,降低生产效率,并使生产成本增加。要取得最佳的技术经济效益,就要根据不同的生产批量、工艺方法和加工对象合理的选用模具材料。例如,在大批量生产中,可选用硬质合金或高强韧、高耐磨模具钢等长寿命的模具材料以满足大批量生产需求;在中等批量生产中,选用通用模具钢;若是小批量生产或新产品试制,则可采用锌
〔7、11〕
合金、铋锡合金等低熔点合金模具材料。对于容易变形失效的模具,需要材料有足够强度和尺寸稳定性;对于容易磨损失效的模具,要求材料具有较高的硬度;对于容易疲劳失效的模具,则要求材料有足够的韧性。总而言之,模具选材既要满足模具的工作条件,又要满足其工艺性能要求,还要考虑经济情况。具体到挤压铸造模具材料的选用,则主要是依据铸造合金的浇注温度、组成型腔各零件的工作条件和材料货源等情况而定。具体情况如下:2.1挤压铸造铝、镁和锌等低熔点合金用模具材料
铝、镁、锌等合金的浇注温度分别在600℃～740℃、630℃～680℃、400℃～450℃之间。模具工作过程中的主要损坏形式是机械磨损。对锌合金而言,由于其温度较低,故除常用模具钢外,也可采用合金结构钢制造模具,甚至可采用低碳钢。但一般选用热模工具钢作为模具材料,经调质处理后再进行氮化或氰化等表面处理。以前我国长期使用3Cr2W8V钢,但因其塑性、韧性较差,现在已推广使用综合性能更优的4Cr5MoSiV1(H13)钢,二者的使用寿命均可达数万件以上。目前国内已有单位研制出性能优于3Cr2W8V钢的替代钢种。但是对镁合金来说,由于其浇注温度为630℃～680℃且要求一定的合金过热度,而4Cr5MoSiV1钢当使用温度高于650℃时其高温性能严重下降。因此难以保证镁合金铸件质量。可考虑使用HDM1、HDM2、HM1、8407等。
2.2 挤压铸造铜合金用模具材料
铜合金的浇注温度约为900℃～1180℃,模具在工作过程中出现的粘焊、热疲劳裂纹、表面氧化等
〔1〕
损坏比铝合金严重的多。目前模具材料主要采用3Cr2W8V等铬钨钒钢,并经调质处理,也可采用4Cr5MoSiV1钢。模具寿命一般在千件以上。对于
冲头、型芯等受热、受力较大的零件,为提高其寿命,也可采用难熔金属。如钨基合金Anviloy1150,其化学成分为90%W、4%Mo、4%Ni和2%Fe,采用粉末冶金方法生产。由于钨合金熔点很高,液态金属对其润湿性低、粘附性小,不易造成粘焊、熔蚀等模具损伤,并且钨合金在600℃以上的高温性能高于钢,因此适用于铜合金用模具。与其类似的还有MTZ钼基合金、镍基高温合金Inconel718以及上海钢铁研究所研制的GH-761、GH-4145等难熔金属及高温合金。但是,使用难熔金属及高温合金
〔1〕
将会导致成本提高,并使加工困难。2.3 挤压铸造黑色金属用模具材料
钢和铸铁的浇注温度约在1300℃～1600℃之间,模具在工作过程中的主要损坏形式是热疲劳裂纹和熔蚀。因此,模具零件多采用铬钨钒或铬钼钒等模具钢,并经调质处理。若模具尺寸精度要求不高,也可采用低碳钢。黑色金属用模具的使用寿命一般只有几百件到几千件,冲头和型芯的寿命则更短。最为常用的3Cr2W8V钢由于其热疲劳抗力差,使用寿命很低。模具的低寿命已成为黑色金属挤压铸造中的难题。目前,国内外正在大力研究使用钼、钨或铌基难熔合金,铁、钴、镍基耐热合金以及其它材料。如上文提到的钨基合金Anviloy1150、MTZ钼基合金、镍基高温合金Inconel718、GH-761等几种合金也同样适用于挤压铸造黑色金属用
模具材料。表1是挤压铸造型腔零件选材的一般情况。
1〕
表1 挤压型腔各零件选材一般情况〔
模具零件名称
锌合金铸件用模具
凹 型镶 块
冲 头型 芯芯 轴
推 杆卸料套筒
5CrNiMo5CrMnMo4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV15CrNiMo5CrMnMo40CrT8～T10
型腔零件选材情况
铝、镁合金铸件用模具
4Cr5MoSiV13Cr2W8V4Cr5MoSiV3Cr2W8V4Cr5MoSiV15CrNiMo4Cr5MoSiV13Cr2W8V
铜合金铸件用模具
3Cr2W8V4Cr5W2VSi3Cr2W8V
黑色金属铸件用模具
3Cr2W8V3Cr2W8Co5V4Cr5MoSiV1
难熔金属Inconel718
3Cr2W8V3Cr2W8Co5V
难熔金属
3Cr2W8Co5V3Cr2W8V4Cr5W2VSi4Cr5MoSiV1
3Cr2W8V4Cr5MoSiV1
38
铸 造 设 备 研 究 2004年第4期
和铜的挤压铸造模具。
3.5 QRO-90
QRO-90是瑞典ASSAB公司专利所有的一种高寿命的铬-钼-钒热作合金工具钢,其成分为w(C)=0.38%、w(Si)=0.30%、w(Mn)=0.75%、w(Cr)=2.6%、w(Mo)=2.25%、w(V)=0.9%。由于QRO-90采用了特别的炼钢技术如电渣重熔,因此其具有极佳的高温强度和高温硬度、极佳的热传导性、良好的抗热疲劳性、极好的抗回火软化能力以及良好的热处理特性。将其用于铝合金和铜合金挤压铸型的压头及模套,寿命高于4Cr5MoSiV1钢。该钢由上海ASSAB模具技术有限公司销售。3.6 8407
8407是铬、钼、钒合金工具钢,是瑞典ASSAB公司开发出来的H13改良钢种,具有优良的耐热冲击性能和抗龟裂能力、高的高温强度、优良的淬透性以及良好的热处理尺寸稳定性。相比于H13,8407的等向性(各相同性)更佳。这对于模具的抗机械疲劳及热应力疲劳性能更具价值,因此采用8407的模具硬度可比普通H13提高1～2HRC而不会牺牲韧性。硬度提高可以减缓热龟裂的发生,从而提高模具寿命。8407可用于铝镁合金、铜合金或不锈钢等的挤压铸造模具零件。该钢由上海ASSAB模具技术有限公司销售。3.7 其它钢种常用作型腔零件的还有一些其它钢种:如4Cr5W2VSi,4Cr5MoSiV,5CrNiMo,5CrMnMo,3Cr2W8CoV等。其中3Cr2W8CoV是国外新发展的钢种,与3Cr2W8V相比,用于铸造铝合金的寿命
[1]
可提高三倍,用于铸造小钢件,寿命可提高两倍。此钢也同样适用于铜合金和黑色金属铸造。3.8 国内新研制的钢种
目前国内一些科研单位已研制成功了一些新型热作模具钢,其中一些已经得到了广泛的应用。主要内容见表3。4 展望
3 几种典型的挤压铸造模具用钢
对挤压铸造模具而言,模具用钢若选择不当,挤
压铸造模具在服役时就会出现早期失效。模具发生早期失效,大部分是由于工作硬度过高而导致早期断裂,少部分是由于工作硬度过低而呈现早期变形或磨损。挤压铸造模具用钢的合理选择,主要根据挤压铸造模具的服役条件来进行。3.1 3Cr2W8V钢
3Cr2W8V钢曾经是我国挤压铸造模具和压模具中最常用的型腔零件材料,属高耐热性热作模具钢。3Cr2W8V钢虽然具有较高的高温强度和热稳定性,但韧性低,耐磨性能差,热疲劳抗力低,脆性大,常因尖角部首先出现细微裂纹,然后逐渐扩大而使模具失效,或因受高温合金磨蚀,工作带出现沟痕而使模具早期失效。目前已较少使用。3.2 4Cr5MoSiV1
4Cr5MoSiV1是一种空冷硬化的热作模具钢,也是所有热作模具钢中最广泛使用的钢号之一。与此相类似的牌号,美国为H-13,日本为SKP61。近20年来,我国对4Cr5MoSiV1钢进行了比较系统的研究和推广工作,4Cr5MoSiV1钢现已广泛用于制作锻造压力机模块、压铸模具、挤压铸造模具等,取得了很好的使用效果。在4Cr5MoSiV1钢中添加铬可提高淬透性和抗氧化性,钼可提高钢的回火稳定性、热硬性和淬透性。钒形成稳定碳化物,以提高耐热性。所以此钢具有良好的耐热性、耐蚀性和淬透性。3.3 HM1(3Cr3Mo3W2V)
该钢为我国自行研制成功的新钢种,具有优良的强韧性,较高的热强性、耐磨性、回火稳定性,抗冷热疲劳性,冷热加工性能好,工作温度在700℃以下。该钢通用性强,已纳入国家标准,适于制作在高温、高速、高负荷、急冷急热条件下工作的模具,其性能优于4Cr5W2VSi和3Cr2W8V钢,模具寿命比3Cr2W8V钢提高2～3倍。3.4 HD钢(4Cr3Mo2NiVNb)
HD钢的化学成分为w(C)=0.35%～0.45%、w(Si)≤0.34%、w(Mn)≤0.40%、w(Cr)=2.50%～3.00%、w(Mo)=1.80%～2.20%、w(V)=1.00%～1.40%、w(Ni)=0.80%～1.20%。其中加入了一定量的Cr、Mo、V等合金元
模具材料的选择对挤压铸造的生产有着重要的
影响。研究出适合各种合金的挤压铸造用模具材料是保证挤压铸件的质量、提高挤压铸造模具的寿命十分重要的一环。在挤压铸造未来的发展过程中,就模具材料而言,我们应着重考虑在充分发挥现有模具材料潜能的基础上,研制新的模具材料。面对我国模具技术的现状,除继续引进和研制高性能的模具新钢种外,更应注意研究模具的工作条件、失效机理,模具钢的强韧化处理新工艺。
素,旨在通过强化基体并形成有效的强化第二相,提高钢的高温性能。该钢高温强度较高,热稳定性及塑韧性较好,相比于3Cr2W8V钢具有更好的综合力学性能,能够提高模具的使用寿命3倍左右[32],适用于制造700℃或更高温度下的热作模具。如钢
2004年第4期 王建宏,等:挤压铸铸造用模具材料的选用39
表3 国内研制的一些新型热作模具钢
钢号
4Cr3Mo2MnVB
代号或简称
ER8
简 介
具有良好的热强性、红硬性、耐磨性,高的冲击韧性和抗冷热疲劳性,高的抗震性
具有高的热强性及热稳定性,良好的韧性、导热性及工艺性能,可用于铜合金挤压铸造模具
相比于3Cr2W8V钢,具有抗冷热疲劳性能好、热处理
研制单位上海材料研究所
4Cr3Mo2MnVNbBY4上海材料研究所
4Cr5Mo2MnVSiY10变形小、抗铝溶损性能好等优点,可用于铝合金挤压铸造模具
上海材料研究所
4Cr3Mo2NiVNb3Cr3Mo3W2V2Cr3Mo3VNb5Cr4W5Mo2V
HDHM-1HM-3RM2
具有良好的室温与高温力学性能,良好的热稳定性及工艺性能
具有高的强韧性和抗冷热疲劳性能,热稳定性好是参照美国(AISI)H10钢的改进钢种,钢中加Nb起强化作用
该钢可替换3Cr2W8V钢,模具寿命可提高数倍热作、冷作兼用的模具钢,具有良好的强韧性、耐磨性
华中理工大学北京机电研究所首钢特钢公司北京机电研究所北京机电研究所第一汽车制造厂
6Cr4Mo3Ni2WVCG-2和热疲劳抗力大等特点,可代替3Cr2W8V钢。该钢还可软氮化处理,以强化其性能,提高模具寿命热作模具用高温合金,该合金在900℃时仍有高的强
上海钢铁研究所
-GH-761度和抗磨损能力,可用于铜合金和黑色金属用挤压铸造模具
上海钢铁研究所
[15] 上海交通大学锻压教研组.液态模锻[M].北京:国防工业出
版社,19811
参考文献:
[1] 齐丕骧.挤压铸造[M].北京:国防工业出版社,19841
[2] 印飞,等.挤压铸造的应用与模具材料[J].机械工程材料,
2000,24(2):28～291
[3] 齐丕骧.面向21世纪的挤压铸造技术[J].特种铸造及有色合
[16] 刘静安.挤压模具技术的理论与实践[M].重庆:科学技术文
献出版社重庆分社,19891
[17] 冯晓曾,等.模具用钢和热处理[M].北京:机械工业出版社,
19841
[18] 齐丕骧.国内外挤压铸造技术发展概况[J].特种铸造及有色
金.1998,(4):32～361
[4] 特种铸造手册[M].北京:机械工业出版社,19841
[5] 徐进,等.模具材料应用手册[M].北京:机械工业出版社,
20011
[6] 洪慎章,等.铝合金车轮挤压铸造工艺[J].特种铸造及有色合
合金,2002,(2):20～231
[19] 罗继相.我国挤压铸造技术的回顾及展望[J].铸造,2003,
(1):1～61
[20] 罗继相.间接挤压铸造模具设计特点及研究[J].特种铸造及
有色合金,2002,(1):38～401
[21] 谢东柏,等.挤压轮失效分析及热处理工艺改进[J].机械工程
金,1999,(6):22～241
[7] 韦烨然.提高模具寿命的途径[J].洪都科技.20011
[8] 陈再枝,蓝德年.模具钢手册[M].北京:冶金工业出版社.
20021
[9] 周敬恩.模具材料选用、热处理与使用寿命[J].金属热处理,
1999,(5):1～101
[10] H.瑞斯.模具工程[M].北京:化学工业出版社,19991[11] 模具制造手册(第二版)[M].北京:机械工业出版社,19981[12] 骆志斌,等.模具工实用技术手册[M].南京:江苏科学技术出
材料,2002,(7):22～321
[22] 潘振鹏,等.我国高强度热作模具钢的研究和应用[J].特殊
钢,2003,(1):1～51
[23] 王德文.模具实用技术200例[M].北京:冶金工业出版社,
19901
[24] 冯晓曾.提高模具寿命指南-选材及热处理[J].机械工程材
料,19941
[25] 金涤尘,宋放之.现代模具制造技术[M].北京:机械工业出版
版社,19991
[13] 彭建声,等.模具技术问答[M].北京:机械工业出版社,19991[14] 许发樾,等.模具材料与使用寿命[M].北京:机械工业出版
社,20011
[26] 李智诚,等.世界常用钢材手册[M].北京:中国物资出版社,
19951
[27] 刘树勋,等.新型压铸镁合金用热作模具钢的组织与性能[J].
社,20001
机械工程材料,2002,(9):27～301