一種新型高壽命壓鑄模具鋼及制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及壓鑄模具材料領(lǐng)域，特別一種新型高壽命壓鑄模具鋼及制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法，其壓鑄模具鋼合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為：0.15-0.18%C,12-14%Cr,5-7%Mo,9-11%Co,0.35%V,0.25-0.45%Nb,S<0.015%,P<0.010%，余量為鐵。本發(fā)明的制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法包括如下步驟：鋼錠熔煉、鍛造、預(yù)熱處理、機(jī)械加工、強(qiáng)化熱處理、精加工和最終檢驗(yàn)。本發(fā)明根據(jù)鋁鎂壓鑄模具的工作溫度和使用中的失效模式，綜合運(yùn)用材料學(xué)的相關(guān)性、過程性和各元素對(duì)材料性能的作用合理設(shè)計(jì)壓鑄模具鋼的材料成份，使壓鑄模具的熱穩(wěn)定性、耐蝕性、耐磨性、熱疲勞性和導(dǎo)熱性等性能明顯改善，從而提高壓鑄模具的使用壽命。
【專利說明】一種新型高壽命壓鑄模具鋼及制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓鑄模具材料領(lǐng)域，特別一種新型高壽命壓鑄模具鋼及制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁鎂合金等輕合金材料，因具有高的比強(qiáng)度和耐大氣腐蝕的能力，受到了制造業(yè)的重視，成為許多機(jī)械零部件的首選材料。采用壓鑄工藝制造形狀復(fù)雜的鋁鎂零部件具有節(jié)能、節(jié)材、污染小、工序少、效率高的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用，而且使用數(shù)量逐年增多。然而，在壓鑄件的生產(chǎn)過程中，因模具損傷(斷裂、磨損、龜裂、腐蝕、塑性變形等)而造成的生產(chǎn)停頓和制件合格率下降越來越嚴(yán)重，造成大量人力、物力浪費(fèi)。因而，壓鑄模的使用壽命低，已成為壓鑄生產(chǎn)成本居高不下的主要原因。
[0003]壓鑄模的失效與模具材料有密切的關(guān)系。由于當(dāng)前工業(yè)上使用的壓鑄模具材料，基本上都是上世紀(jì)30-50年代研發(fā)的鋼種，如我國(guó)的3Cr2W8V鋼，美國(guó)的H-13 (相當(dāng)于40CrSiMoV)鋼，前蘇聯(lián)的40Cr5W2V鋼以及德國(guó)的3Cr3Mo3V鋼。這些鋼的化學(xué)成分大同小異，幾十年來改革研究甚少。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的壓鑄模在使用過程中，主要存在如下缺陷:
(1)熱穩(wěn)定性差:由于壓鑄模工作時(shí)，型腔內(nèi)液態(tài)鋁鎂合金的溫度約為700-850°C，模具工作表面實(shí)際溫度也高達(dá)600-700° C，壓鑄模在此溫度下，熱硬度和熱強(qiáng)度大大降低，從而易發(fā)生塑性形變而失去效用；
(2)耐蝕性差:壓鑄模在上述工作溫度下，模具的型腔表面與液態(tài)鋁或鎂合金和脫模劑以及空氣易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使模具型腔表面的材料易發(fā)生溶解或雜質(zhì)滲入，導(dǎo)致模具表面粗糙度降低，制品尺寸和質(zhì)量下降；
(3)耐磨性差:在工作溫度下，模具表面與壓鑄合金及其渣粒長(zhǎng)期接觸時(shí)，易發(fā)生摩擦磨損和磨料磨損，使模具型腔尺寸變化，從而造成制件的尺寸改變或超差；
(4)熱疲勞性差:壓鑄模工作時(shí)要反復(fù)被加熱(液態(tài)合金注入)和冷卻(制件取出后噴涂脫模劑)，模面在交變溫度作用下會(huì)產(chǎn)生熱疲勞而形成龜裂，從而造成制件表面粗糙；
(5)導(dǎo)熱性不理想:當(dāng)液態(tài)合金注入壓鑄模工作表面時(shí)，模面溫度迅速增高，有時(shí)該溫度高過模具回火溫度時(shí)，使模具產(chǎn)生塑性變形而失效；再有，模具溫度高，冷卻時(shí)溫差大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，易發(fā)生熱疲勞龜裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中鋁鎂壓鑄模具的工作條件及模具的失效模式，提供一種新型高壽命壓鑄模材料，以提高壓鑄模具的熱穩(wěn)定性、耐蝕性、耐磨性、熱疲勞性和導(dǎo)熱性等綜合性能，從而提高壓鑄模具的使用壽命。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的新型高壽命壓鑄模材料的質(zhì)量百分比含量為:0.15-0.18C, 12-14Cr, 5_7Mo, 9-llCo, 0.35V, 0.25-0.45Nb, S <0.015, P〈0.010，余量為鐵。
[0007]本發(fā)明的合金元素的質(zhì)量百分比含量的進(jìn)一步優(yōu)選方案為:0.15%C，12%Cr,5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵。
[0008]本發(fā)明的合金元素的質(zhì)量百分比含量的另一種優(yōu)選方案分別為:0.18%C, 14%Cr,7%Mo, ll%Co, 0.35%V, 0.45%, , S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)中的壓鑄模具材料相比，本發(fā)明的壓鑄模具材料，適當(dāng)增加鉻的含量，從而提高模具鋼中鐵的電極電位，即可提高其耐蝕性。當(dāng)鉻在鐵中形成固溶體時(shí)，可以顯著提高其電極電位，但這種提高不是勻速的而是臺(tái)階式的。當(dāng)鉻的原子百分?jǐn)?shù)含量達(dá)到
12.5%，鉻與鐵的原子比為1/8，電位有一突躍升高；當(dāng)鉻的原子百分?jǐn)?shù)含量達(dá)到25%，原子比為2/8時(shí)，電位又一次躍升。而在非躍升原子比時(shí)，隨著鉻含量的增高，電位連續(xù)升高得非常微小。按照鉻重量比，12.5%的原子百分含量相當(dāng)于11.65%質(zhì)量含量，但鋼中加入的鉻部分與碳形成碳化物，這部分鉻則失去耐蝕效果，因而如果正好添加的鉻為12.5% (原子百分?jǐn)?shù))，則因固溶的鉻低于12.5% (原子百分?jǐn)?shù))而使耐蝕性大大降低，另外鋼中含有其它元素同樣也會(huì)對(duì)有效鉻的含量產(chǎn)生影響。因此適當(dāng)增加鉻含量，使鋼中固溶的鉻含量保持在原子比為1/8水平。
[0010]碳含量的控制，壓鑄模具鋼在淬火高溫回火狀態(tài)下，隨著鋼的碳含量增高，導(dǎo)熱性增大，韌性增高，耐蝕性提高，但抗塑性變形能力和耐磨性降低。與傳統(tǒng)壓鑄模鋼相比，碳含量需要降低，但如果碳含量過低模具鋼的硬度等性能達(dá)不到要求。因此，為保證壓鑄模具鋼淬火、高溫回火后的屈服強(qiáng)度達(dá)到σ ^ 2=900-1200MPa，硬度HRC45~50，其碳含量控制為0.15-0.18% (質(zhì)量含量)。 [0011]鑰含量:在模具鋼中添加鑰主要是提高鋼的熱強(qiáng)度。模具鋼淬火后高溫回火時(shí)原來較為粗大的滲碳體型碳化物將被溶解并重新形核長(zhǎng)大形成M2C型碳化物，而具有二次硬化和抗過時(shí)效特性，因而可以在較高溫度下保持高的強(qiáng)度、硬度。隨著鑰含量的增高，在相同回火條件下，其硬度、強(qiáng)度增高。而且這種規(guī)律可以保持到700°回火。
[0012]但是鑰添加過高會(huì)使模具鋼加熱時(shí)形成鐵素體，而降低模具鋼的熱性能，因此為了為了確保700° C工作條件下的強(qiáng)度、硬度、鑰含量控制在4-8%之間。
[0013]釩鈮含量:在壓鑄模具鋼中添加少量的釩、鈮，可以增加特殊碳化物M4C3、M2C的穩(wěn)定性和細(xì)化淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒，從而改善鋼的延性和韌性，并增強(qiáng)模具鋼的強(qiáng)度、硬度。
[0014]鈷含量:如果在低碳高鉻鋼中添加了較多的鑰，會(huì)使鋼加熱時(shí)形成鐵素體。為了平衡增加鐵素體的傾向，需要增加鈷的含量，而且鈷的加入還會(huì)使二次硬化作用的溫度移向高溫。例如，6%Mo+10%Co，在620° C、Ih回火后，硬度高達(dá)HV665。在700° C、lh回火后，硬度可達(dá)HV550。為了獲得壓鑄模要求的力學(xué)性能，其用鋼成分必需在淬火加熱時(shí)，能夠完全奧氏體化。由于用鋼含有很高的封閉Y區(qū)的鉻鑰等合金元素，淬火加熱時(shí)可能不能完全獲得Y相(奧氏體)，而有δ-Fe (α相)存在。為防止δ-Fe出現(xiàn)，需加入擴(kuò)大Y區(qū)的元素來平衡。而鈷既可以擴(kuò)大Y區(qū)、提高M(jìn)s點(diǎn)以減少淬火后鋼中殘余奧氏量、提高回火穩(wěn)定性，又不降低Al的臨界點(diǎn)，使壓鑄模具鋼既保證抗蝕性，又不產(chǎn)生δ-Fe，以使材料成分達(dá)到平衡配比。
[0015]因此，本發(fā)明根據(jù)鋁鎂壓鑄模具的工作溫度和使用中的失效模式，綜合運(yùn)用材料學(xué)的相關(guān)性、過程性和各元素對(duì)材料性能的作用合理設(shè)計(jì)壓鑄模具鋼的材料成份，使壓鑄模具的熱穩(wěn)定性、耐蝕性、耐磨性、熱疲勞性和導(dǎo)熱性等性能明顯改善，從而提高壓鑄模具的使用壽命。
[0016]為進(jìn)一步提高模具鑄命，本發(fā)明還提供種采用上述模具材料制造高壽命鋁鎂壓鑄模的工藝方法，包括如下步驟:鋼錠熔煉、鍛造、預(yù)熱處理、機(jī)械加工、強(qiáng)化熱處理、精加工和最終檢驗(yàn)；所述預(yù)熱處理具體包括如下過程，將鍛造后的工件加熱至1020-1050° C，保溫Tmin，然后在爐內(nèi)降溫至780-790° C保溫12_16h，最后爐冷，其中保溫時(shí)間T按下式計(jì)算:T=D.1.5min/lmm，式中D為工件的最大厚度尺寸。本工藝中，模具工件鑄造后進(jìn)行預(yù)熱處理，可使工件的硬度HRC ( 40，提高切削加工能力，并為機(jī)械加工后進(jìn)一步強(qiáng)化熱處理作準(zhǔn)備。
[0017]為提高模具的綜合性能及使用鑄命，所述強(qiáng)化熱處理工藝為將工件升溫到550° C — 750° C保溫I小時(shí)，然后在保護(hù)氣氛中升溫至1100° C —1150° C奧氐體化保溫I一2小時(shí)，油淬后冷卻至室溫，再升溫至650° C — 750° C回火保溫I一2小時(shí)，然后空氣中自然冷卻至室溫。
[0018]為進(jìn)一步提高形狀復(fù)雜的大尺寸壓鑄模具綜合機(jī)械性能和熱性能，所述強(qiáng)化熱處理工藝為將工件升溫至550° C — 750° C保溫I小時(shí)，然后再升溫至800° C — 850° C，保溫0.5小時(shí)，最后升溫至1100° C-1150° C奧氐體化保溫1-2小時(shí)，油淬后冷卻至室溫，再升溫至650-750° C回火保溫1-2小時(shí)一至二次。
[0019]為防止模具表面在熱處理中脫碳而造成硬度降低，所述奧氐體化保溫工藝采用保護(hù)氣氛加熱或木炭粉保護(hù)加熱。
[0020]采用上述熱處理 工藝的模具最終得到具有二次硬化效應(yīng)的低碳回火馬氏體，并且合金材料的回火溫度與模具的實(shí)際工作溫度接近，回火后模具表面仍具有較好的硬度，模具最終表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化、抗腐蝕、耐高溫和熱疲勞性能，使模具的使用壽命明顯提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的制造鋁鎂壓鑄模的工藝流程圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的制造鋁鎂壓鑄模實(shí)施例1的強(qiáng)化熱處理工藝曲線。
[0023]圖3為本發(fā)明的制造鋁鎂壓鑄模實(shí)施例2的強(qiáng)化熱處理工藝曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
一種制造新型高壽命壓鑄模的方法，如圖1所示包括如下步驟:鋼錠熔煉、鍛造、預(yù)熱處理、機(jī)械加工、強(qiáng)化熱處理、精加工和最終檢驗(yàn)；其中鋼錠的合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為:0.15%C, 12%Cr, 5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵，預(yù)熱處理具體包括如下過程，將鍛造后的工件加熱至1020° C，保溫lh，然后在爐內(nèi)降溫至780-790° C保溫12h，最后爐內(nèi)冷卻至室溫，經(jīng)本步預(yù)熱處理的鍛造工件的HRC硬度小于40，具有良好切削加工性能，并且為后續(xù)的強(qiáng)化熱處理工藝準(zhǔn)備。本實(shí)施例中，強(qiáng)化熱處理采用如下工藝如圖2所示:先將工件升溫到550° C — 750° C預(yù)熱保溫I小時(shí)，以減小模具在加熱過程中的冷熱溫度，使之內(nèi)外溫度均勻以降低熱應(yīng)力引發(fā)的變形，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中升溫至1150° C保溫1.5小時(shí)，使模具內(nèi)部組織充分奧氐體化，之后再油淬后冷卻至室溫，可以得到相應(yīng)的馬氏體以及殘余的奧氏體，以減少工件內(nèi)部的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的變形和開裂。再將工件升溫至650° C — 750° C回火保溫1.5小時(shí)后空氣中自然冷卻至室溫，可以減少殘余奧氐體的含量最終形成具有二次硬化效應(yīng)的低碳回火馬氐體。強(qiáng)化熱處理后模具的硬度為HRC48-52，并且表面沒有脫碳現(xiàn)象，得到具有良好耐熱性能和較高的使用壽命的壓鑄模。
[0025]實(shí)施例2
一種制造新型高壽命壓鑄模的方法，本步中采用的合金元素的含量及工藝步驟尤為適合形狀復(fù)雜的大尺寸壓鑄模具，如圖1所示包括如下步驟:鋼錠熔煉、鍛造、預(yù)熱處理、機(jī)械加工、強(qiáng)化熱處理、精加工和最終檢驗(yàn)；其中鋼錠的合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為:
0.18%C, 14%Cr, 7%Mo, ll%Co, 0.35%V, 0.45%,，S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵。其中預(yù)熱處理具體包括如下過程，將鍛造后的工件加熱至1050° C，保溫3h，然后在爐內(nèi)降溫至780-790° C保溫16h，最后爐內(nèi)冷卻至室溫，經(jīng)本步預(yù)熱處理的鍛造工件的HRC硬度小于40，具有良好切削加工性能，并且為后續(xù)的強(qiáng)化熱處理工藝準(zhǔn)備。本實(shí)施例中，強(qiáng)化熱處理采用如下工藝如圖2所示:先將工件升溫至550° C — 750° C保溫I小時(shí)，然后再升溫至800° C — 850° C，保溫0.5小時(shí)，對(duì)于形狀復(fù)雜的大尺寸工件，經(jīng)過本步的兩次預(yù)熱保溫處理以減小模具在加熱過程中的冷熱溫差，使之內(nèi)外溫度均勻以降低熱應(yīng)力引發(fā)的變形；最后碳粉保護(hù)中升溫至1150° C奧氐體化保溫2小時(shí)，油淬后冷卻至室溫，使奧氏體至馬氏體相變充分進(jìn)行。再分兩次分別升溫至650-750° C回火保溫1.5小時(shí)?？梢詼p少殘余奧氐體含量最終形成具有二次硬化效應(yīng)的低碳回火馬氐體。強(qiáng)化熱處理后模具的硬度為HRC48-52，并且表面沒 有脫碳現(xiàn)象，得到具有良好耐熱性能和較高的使用壽命的壓鑄模。
【權(quán)利要求】
1.一種新型高壽命壓鑄模具鋼，其合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為:0.15-0.18%C,12-14%Cr, 5-7%Mo, 9_ll%Co, 0.35%V, 0.25-0.45%Nb, S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高壽命壓鑄模具鋼，其特征在于，其合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為:0.15%C, 12%Cr, 5%Mo, 9%Co, 0.35%V, 0.25%Nb, S <0.015%, P <0.010%,余量為鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高壽命壓鑄模具鋼，其特征在于，其合金元素的質(zhì)量百分比含量分別為:0.18%C, 14%Cr, 7%Mo, ll%Co, 0.35%V, 0.45%,, S <0.015%, P〈0.010%，余量為鐵。
4.一種采用權(quán)利要求1或2或3所述的壓鑄模材料制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法，其特征在于，包括如下步驟:鋼錠熔煉、鍛造、預(yù)熱處理、機(jī)械加工、強(qiáng)化熱處理、精加工和最終檢驗(yàn)；所述預(yù)熱處理具體包括如下過程，將鍛造后的工件加熱至1020-1050° C，保溫Tmin，然后在爐內(nèi)降溫至780-790° C保溫12_16h，最后爐冷，其中保溫時(shí)間T按下式計(jì)算:T=D.1.5min/lmm，式中D為工件的最大厚度尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法，其特征在于，所述強(qiáng)化熱處理工藝為將工件升溫到550° C — 750° C保溫I小時(shí)，然后升溫至1100° C —1150° C奧氐體化保溫I一2小 時(shí)，油淬后冷卻至室溫，再升溫至650° C — 750° C回火保溫I一2小時(shí)，然后空氣中自然冷卻至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法，其特征在于，所述強(qiáng)化熱處理工藝為將工件升溫至550° C — 750° C保溫I小時(shí)，然后再升溫至800° C — 850° C，保溫0.5小時(shí)，最后升溫至1100° C-1150° C奧氐體化保溫1-2小時(shí)，油淬后冷卻至室溫，再升溫至650-750° C回火保溫1-2小時(shí)一至二次。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造鋁鎂壓鑄模的工藝方法，其特征在于，所述奧氐體化保溫工藝采用保護(hù)氣氛中加熱或木炭粉保護(hù)中加熱。
【文檔編號(hào)】C21D6/00GK103993233SQ201410141491
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】劉澄, 趙振波, 趙斌 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)