?淺談壓鑄模具材料對(duì)模具壽命的影響研究？壓鑄是近代金屬壓力加工工藝中發(fā)展較快的一種高效率、少無切削的金屬成形精密鑄造方法，它已廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中，除用于汽車和摩托車、儀表、工業(yè)電器外，還廣泛應(yīng)用于家用電器、農(nóng)機(jī)、無線電、通信、機(jī)床、運(yùn)輸、造船、照相機(jī)、鐘表、計(jì)算機(jī)、紡織器械等行業(yè)。
模具材料作為承載模具設(shè)計(jì)、熱處理的主體和制造方面的主要對(duì)象。它在模具工業(yè)起著重要的作用，對(duì)模具制造工藝的難易程度、模具熱處理工藝的是否得當(dāng)、模具壽命能否長(zhǎng)久起到主導(dǎo)性作用。

1 壓鑄模具材料的性能要求

1.1壓鑄模失效的主要原因

① 勞熱疲勞是由于壓鑄過程中模具反復(fù)經(jīng)受激冷、激熱所造成的熱應(yīng)力，導(dǎo)致逐漸產(chǎn)生裂紋。其形貌多數(shù)呈網(wǎng)狀，又稱龜裂，也有呈放射狀。這些在模具表面淺層中的微裂紋，一般可以修復(fù)。如果熱疲勞裂紋深入基體內(nèi)部，修模會(huì)導(dǎo)致模具尺寸超差，或者由于壓鑄過程中的機(jī)械應(yīng)力或熱沖擊，熱疲勞裂紋則擴(kuò)展成宏觀裂紋，致使模具失效。

② 嚴(yán)重脆性開裂壓鑄模脆性開裂是先形成宏觀大裂紋，很快擴(kuò)展.導(dǎo)致脆性開裂而失效。引起的原因很多，諸如壓鑄操作不當(dāng)引起的機(jī)械過載、熱沖擊，加工質(zhì)量不佳，削弱了模具承載能力，模具設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生應(yīng)力集中等等，而模具材料的韌性不足則是脆性開裂的內(nèi)因。

③ 侵蝕(腐蝕)壓鑄過程中，通過壓力將熔融金屬注入壓鑄模具型腔。在某些情況下，會(huì)產(chǎn)生熔融金屬與模具之間的反應(yīng)，導(dǎo)致模具材料被溶解，實(shí)質(zhì)是侵蝕和腐蝕的結(jié)合。其主要影響因素為：鑄造合金的溫度與成分、模具設(shè)計(jì)與表面處理等。

④ 塌陷塌陷指壓鑄過程中模具的下陷或其分型面處的壓塌。這是由于模具材料的熱強(qiáng)度太低造成的。壓鑄溫度越高，發(fā)生塌陷的可能性越大。

1.2 壓鑄模具材料的性能要求

壓鑄模的使用壽命與壓鑄模的材質(zhì)密切相關(guān)。壓鑄模零部件主要分為與金屬液接觸的零部件、滑動(dòng)配合零部件和模架結(jié)構(gòu)零件。

壓鑄模型腔與澆道等部件在金屬的壓力鑄造生產(chǎn)過程中，直接與高溫、高壓、高速的金屬液相接觸。一方面受到金屬液的直接沖刷、磨損、高溫氧化和各種腐蝕：另一方面由于生產(chǎn)的高效率，模具溫度的升高和降低非常劇烈，并形成周期性的變化。

因此，壓鑄模用鋼要求有較高的熱疲勞抗力，導(dǎo)熱性及良好的耐磨性、耐蝕性和高溫力學(xué)性能。壓鑄模具的選材，主要依據(jù)澆鑄金屬的溫度以及澆鑄金屬的種類而定。溫度越高，壓鑄模具的破壞及磨損越嚴(yán)重。

由于壓鑄模的各部件在不同條件下工作，受到澆鑄金屬的沖擊和磨損也不同，因此對(duì)壓鑄模硬度要求應(yīng)根據(jù)零件的用途以及澆鑄金屬的不同而有所區(qū)別。例如，對(duì)磨損較嚴(yán)重的部件，應(yīng)具有更高的硬度;對(duì)在受熱條件下工作的零件，應(yīng)具有較高的熱疲勞性能和高溫性能.

2 鋅合金壓鑄模具用鋼及選用

鋅合金的熔點(diǎn)為400～430℃。鋅合金壓鑄模的表層溫度不會(huì)超過400℃。由于工作溫度較低，所以除常用模具鋼外，也可以采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造模具，甚至可采用低碳鋼，經(jīng)中溫固體碳氮共滲、淬火、低溫回火，使用效果也很好。

常用于制造鋅合金壓鑄模具的材料有：合金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr、30CrMnSi、40CrMo等;模具鋼5CrNi.Mo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、3Cr2W8V、CrWMn等。鋅合金壓鑄模具壽命：合金結(jié)構(gòu)鋼可達(dá)到20～30萬模次，模具鋼可達(dá)到100萬模次。國(guó)外鋅合金壓鑄模具水平基本也是30～50萬模次，也有的達(dá)到100萬模次。

3 鋁合金壓鑄模具用鋼及選用

3.1 鋁合金壓鑄模的服役條件

鋁合金壓鑄模的服役條件較為苛刻，鋁合金熔液的溫度通常在650～700℃左右.以40～180m/s的速度壓人模腔，此壓力大約為20～120Mpa，保壓時(shí)間5～20s，每次壓射間隔時(shí)間大約為20～70s。模具型腔表面受到高溫高速鋁液的反復(fù)沖擊。產(chǎn)生較大壓力。

目前，我國(guó)壓鑄模的失效形式大多是熱疲勞裂紋所致。隨著模具壽命的提高。模具受到液態(tài)鋁合金的溶損粘蝕作用將成為模具失效的主要形式。因此，鋁合金壓鑄模的壽命取決于兩個(gè)因素，即是否發(fā)生粘模和型腔表面是否出現(xiàn)龜裂。

3.2 鋁合金壓鑄模具鋼的性能要求

根據(jù)鋁合金壓鑄模的服役條件和常見的失效形式，對(duì)鋁合金壓鑄模用鋼的主要性能要求有：

① 高的回火抗力和冷熱疲勞抗力。大量連續(xù)生產(chǎn)的鋁合金壓鑄模具，長(zhǎng)時(shí)間處于一定溫度作用下，應(yīng)持續(xù)保持其高硬度，而且應(yīng)不粘模及不產(chǎn)生氧化皮。因此，模具應(yīng)具有良好的抗氧化性與回火穩(wěn)定性。

鋁合金壓鑄模具表面反復(fù)受到高溫加熱與冷卻，不斷膨脹、收縮，產(chǎn)生交變熱應(yīng)力。此應(yīng)力超過模具材料的彈性極限時(shí)，就發(fā)生反復(fù)的塑性變形，引起熱疲勞。同事，模具表面長(zhǎng)時(shí)間受到熔融金屬的腐蝕與氧化，也會(huì)逐漸產(chǎn)生微細(xì)裂紋，大多數(shù)情況下，熱疲勞是決定壓鑄模具壽命的最重要因素。

② 強(qiáng)度、硬度、塑性及耐熱性能。鋁合金壓鑄模具受到熔融金屬注入時(shí)的高溫、高壓和熱應(yīng)力作用，容易發(fā)生變形，甚至開裂。因此，模具鋼在工作溫度下應(yīng)具有足夠的高溫強(qiáng)度與韌度，以及較高的硬度和耐熱性能。

③ 良好的導(dǎo)熱性。鋁合金壓鑄模具長(zhǎng)時(shí)間處于600～700~C高溫作用下，為保證其他性能。必須具有良好的導(dǎo)熱性。

④ 的抗熔融金屬的損傷性。隨著壓鑄機(jī)的大型化，壓鑄壓力也在增大，已從低壓的20～30MPa，提高到高壓150～500MPa。高溫高壓澆鑄可產(chǎn)生明顯的熔融損傷，模具應(yīng)對(duì)此具有較大的抵抗力。為此，模具材料必須具有較大的高溫強(qiáng)度。較小的對(duì)熔融金屬親和力，模具表明粗糙度要小，并附有適當(dāng)?shù)难趸！⒌瘜拥缺Ｗo(hù)層，而不存在脫碳層。

⑤ 透性好、熱處理變形小。一般壓鑄模具的制造方法是將退火狀態(tài)的模具材料雕刻型腔.然后熱處理，得到所需要的硬度，或?qū)⒛＞卟牧舷冗M(jìn)行熱處理，得到需要的硬度，再雕刻型腔。先雕刻型腔后熱處理的制造方法，有高的硬度和強(qiáng)度，不易產(chǎn)生熔損與熱疲勞。

無論用哪一種方法進(jìn)行熱處理，得到均一的硬度是必要的，所以要求淬透性好，特別是先雕刻型腔后進(jìn)行熱處理，要用熱處理變形小的材料，這點(diǎn)對(duì)于尺寸大的模具尤為重要。

3.3 鋁合金壓鑄模具鋼

目前，我國(guó)常用鋁合金壓鑄模鋼有4Cr5MoSiV 1(H13)、4Cr5MoSiV (H11)、3Cr2W8V 及新鋼種4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)以及3Cr3Mo3VNd(HM3)等3Cr2W8V萬方數(shù)據(jù)鋼的回火抗力和熱穩(wěn)定性性能最好，具有足夠高的耐熱性，但因含鎢量較高，導(dǎo)熱性下降，鋼的熱膨脹系數(shù)也較大。

因而，冷熱疲勞抗力較差，容易在模具型腔表面出現(xiàn)冷熱疲勞裂紋。4Cr5MoSiV1(H13)和4Cr5MoSiV(H11)鋼的回火抗力及熱穩(wěn)定性稍差于3Cr2W8V鋼，但是冷熱疲勞抗力比3Cr2W8V鋼高得多。用H13鋼制造的鋁合金壓鑄模具，壽命遠(yuǎn)高于3Cr2W8V鋼制造的模具。

新鋼種4Cr5Mo2MnSiV1(Y10)鋼是4Cr5MoSiV1鋼基礎(chǔ)上研制的新型鋁合金壓鑄模用鋼，4Cr5Mo2MnSiV1 (YIO) 鋼除耐熱性能比3Cr2W8V鋼稍差外，其它力學(xué)性能，如沖擊韌性、斷裂韌性;物理性能，如熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù);工藝性能，如熱處理變形性，以及熱疲勞抗力、抗溶損性能均優(yōu)于3Cr2W8V鋼。

應(yīng)用與鋁合金壓鑄模具，其使用壽命可提高1～10倍。近年來，我國(guó)已研制出馬氏體時(shí)效鋼，其抗拉強(qiáng)度已達(dá)到2500Mpa。馬氏體時(shí)效鋼是一種含鎳、鉬、鈷、鈦的超低碳高合金鋼，經(jīng)820～950℃固溶，得到高韌性的馬氏體組織，此時(shí)硬度只有30HRC左右。

可以進(jìn)行機(jī)加工，然后在500℃左右時(shí)效。析出彌散的Ni-Ti、Ni-Mo金屬間化合物，可使硬度提高到50HRC以上，從而具有高強(qiáng)度、高韌性及良好的抗熱疲勞I生能。馬氏體時(shí)效鋼模具使用壽命極高。如壓鑄小型箱蓋，H13鋼模具壽命為5000～25000件，改用馬氏體時(shí)效鋼后.模具壽命可達(dá)到150000件，平均壽命提高10倍左右。但因馬氏體時(shí)效鋼含鎳量較高，價(jià)格很貴，目前使用較少。