压铸模用钢及热处理技术

1.压铸模的工作条件、失效形式和性能要求

压铸模用钢用于压力铸造和挤压铸造模具。根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模。

压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热的温度比热锻模要高（压铸非铁金属时400～800℃，压铸钢铁材料时可达1000℃以上），同时承受很高的压力（20～120MPa）；此外，还受到反复加热和冷却以及金属液流的高速冲刷而产生磨损和腐蚀。

热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀是压铸模常见的失效形式。

压铸模的性能要求是：较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热性，良好的抗氧化和耐蚀性，高的淬透性等。

2.压铸模用钢

常用的压铸模用钢以钨系、铬系、铬钼系和铬钨钼系热作模具钢为主，也有一些其他的合金工具钢或合金结构钢，用于工作温度较低的压铸模，如40Cr、30CrMnSi、4CrSi、4CrW2Si、5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、3Cr2W8V、HM1等钢。其中3Cr2W8V钢是制造压铸模的典型钢种，常用于制造浇注铝合金和铜合金的压铸模；与其性能和用途相近似的还有HM1钢。应该注意的是，由于4Cr5MoSiV1钢具有良好的韧性、耐热疲劳抗力和抗氧化性，其模具使用寿命高于3Cr2W8V钢制压铸模，且这类钢的价格较钨系钢便宜，因此在压铸模上的使用越来越多。

以下重点介绍3Cr2W8V钢和HM1钢及其热处理。这两种钢的化学成分见表3-21。

表3-21 3Cr2W8V钢和HM1钢的化学成分

（1）3Cr2W8V钢 3Cr2W8V钢是我国长期以来应用最广泛的典型压铸模用钢，也可用于其他热作模具钢。

1）成分及性能特点。该钢含碳量虽然不高，但铬、钨含量较高，致使铁碳相图上共析点（S点）左移。从相图组织上看属于过共析钢组织。由于含碳量较低，所以，该钢的韧性和导热性较好。钨是该钢的主加合金元素，在钢中生成的含钨碳化物很稳定，须在较高温度加热时才能溶入奥氏体中；在淬火后回火时也不易从马氏体中析出或聚集，故钨能显著地提高钢的耐回火性。从而使钢具有较高的热硬性和热强性。例如在650℃下，3Cr2W8V钢抗拉强度可达1200MPa，硬度可达300HBW。此外，含钨碳化物可阻止淬火加热时的晶粒长大，有利于改善钢的韧性。铬的主要作用是提高钢的淬透性和抗氧化性。钒的主要作用是细化晶粒，并增加回火过程中的二次硬化效果。

2）锻造工艺。对于属于过共析钢组织的3Cr2W8V钢，在机加工之前要进行锻造，反复镦粗与拔长以消除碳化物偏析，减少粗大碳化物。锻造工艺为：始锻温度为1080～1120℃，终锻温度为900～850℃，锻后先在空气中较快地冷却到700℃，然后缓冷。

3）预备热处理。3Cr2W8V钢锻造后一般采用不完全退火，退火工艺为：830～850℃加热并保温3～4h后以小于40℃/h的速度炉冷至400℃出炉空冷。也可采用等温退火，等温温度710～740℃，等温时间3～4h，然后炉冷到500℃以下出炉空冷。退火后组织为珠光体与碳化物，硬度为207～255HBW。

4）淬火与回火。3Cr2W8V钢的淬火温度、回火温度与钢的硬度关系见表3-22。

表3-22 3Cr2W8V钢淬火、回火温度与硬度关系

从表中数据可以看出，随着淬火温度的升高，钢的硬度增加，例如1050℃淬火，600℃回火后硬度为43HRC；而1250℃淬火，600℃回火后，硬度为52HRC。

同一淬火温度，则在550℃回火时硬度值最大，呈现一峰值，而且有二次硬化现象，多一次回火，硬度值会有所提高。

表3-23为3Cr2W8V钢的淬火温度、回火温度与抗拉强度、冲击韧度的关系。

从表3-23的数据可以看出，提高淬火温度，抗拉强度随着增加，但冲击韧度随之降低，同一淬火温度，在650℃回火时a_K值最低，说明这是回火脆性区。

综合上述分析，3Cr2W8V钢常规淬火加热温度应采用1050～1150℃。如果模具要求有较高的塑性和韧性，承受较大的冲击载荷时，应采用下限加热温度；对于压铸那些熔点较高的合金（如铜合金、镁合金）的压铸模，为了满足在较高温度下所需的热硬性和热稳定性，可在上限温度范围加热淬火。

表3-23 3Cr2W8V钢淬火、回火温度与抗拉强度σ_b、冲击韧度α_K的关系

3Cr2W8V钢的淬透性很好，厚度在100mm以内的工件均可在油中淬透，为了减少模具变形，可采用分级淬火和等温淬火。

回火温度应根据性能要求和淬火温度来选择，回火次数为2～3次。由于该钢有明显的回火脆性，回火后应采用油冷，然后可再经160～200℃补充回火。

表3-24为3Cr2W8V钢制压铸模的几种热处理工艺，以供参考。

表3-24 3Cr2W8V钢制压铸模的几种热处理工艺

（2）HM1钢 该钢是参照国外有关钢种结合我国资源条件研制的新型热作模具钢。此钢在化学成分上通过以钼代钨，使钢的含钨量与3Cr2W8V钢相比大大降低，同时铬和钒的含量比3Cr2W8V钢有适当的提高，它的特点是具有优良的强韧性，在保持高强度和高的热稳定性的同时，还表现出良好的耐热疲劳性。使用实践表明，这种钢的耐回火性、抗磨损性能均优于3Cr2W8V钢，热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多。

HM1钢是一种综合性能十分优异的高强韧热作模具钢，具有良好的冶炼、锻造，热处理及加工性能，有优异的热抗疲劳性能和耐回火性。适用于高温、高负荷、急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模、成形辊模，高强度和高热强钢零件的精锻模，铝和铜合金的压铸模，热挤压等模具零件。使用寿命可比3Cr2W8V及5CrNiMoV钢制模具提高1～4倍。

1）室温组织。在平衡状态属亚共析钢，而截面较大的HM1钢，在球化退火时易在晶界形成链状碳化物，降低钢的强韧性能和抗热疲劳性能，增加热裂倾向。在球化退火前，采用加热到（1070±10）℃的正火处理，可改善或消除链状碳化物。在采用快速匀细球化退火时，也可消除链状碳化物的出现。可见HM1属伪共析钢或伪过共析钢，形成原因是结晶过程碳及合金元素偏析造成。

2）使用性能。HM1、3Cr2W8V采用快速匀细球化退火，真空热处理离子软化氮化，降低使用硬度等综合技术措施，铝合金压铸模使用寿命达到15万～35万次。

3）锻造工艺。加热温度1150～1180℃，始锻温度1120～1150℃，终锻温度≥850℃，锻后缓冷。

4）退火工艺。锻造后应及时退火，退火工艺为860～880℃加热保温2～4h，炉冷降温至720～740℃等温4～6h，炉冷至550℃以下出炉空冷。退火后硬度≤252HBW。

5）最终热处理工艺。淬火温度1060～1130℃，油淬或分级淬火，淬火后硬度为50～56HRC，回火至600～630℃时硬度为50～55HRC，630～650℃回火后硬度为45～50HRC。

3.压铸模材料的选用

目前常用的压铸金属材料主要有：锌合金、铝或镁合金、铜合金和钢铁等四大类，它们的熔点、压铸温度、模具工作温度和硬度要求都各不相同。由于压铸金属的压铸温度越高，压铸模的磨损和损坏就越快。因此，在选择压铸模材料时，首先要根据压铸金属的种类及其压铸温度的高低来决定；其次还要考虑生产批量大小和压铸件的形状、质量及精度要求等。

根据压铸不同类金属，对模具材料可进行以下选择：

（1）锌基合金压铸模具材料的选择 锌基合金的熔点很低，其压铸模具工作表面的温度一般不超过400℃，可选用一般的合金结构钢制造模具，也可选用预硬型塑料模具钢，如3Cr2Mo等作为锌合金压铸模用钢。如果生产批量很小，也可以选用45钢。(www.xing528.com)

如果压铸的锌合金批量很大，形状复杂，或者尺寸精度要求较高时，可选用一些热作模具钢，如5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV等。

（2）铝、镁合金用压铸模用材料 铝合金的熔点随化学成分的不同，一般为600～750℃，镁合金的熔点为600～700℃，在进行这类合金压铸时，压铸模具的工作表面温度可达500～600℃。型腔、喷嘴和芯棒的表面都承受剧烈的温度冲击。模具的表面容易产生疲劳裂纹。

另外铝合金在压铸过程中，容易粘附在模具表面，影响压铸生产的连续运行。液态铝合金对模具表面有较强的冲蚀作用。所以，制造铝、镁合金压铸模具时，要求模具材料在600℃左右具有较高的耐回火性和抗冷热疲劳的性能，具有良好的抗高温高压高速的液态铝、镁合金的冲蚀性能和较高的强度和韧度。

4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV钢是国内外普遍应用的铝合金压铸模具用钢，性能较好。

为了改善铝合金粘附的情况，采用渗氮和低温碳氮共渗比较有效。

（3）铜合金压铸模具材料 液态铜合金的温度一般高达900～1100℃，模具型腔表面温度也高达750～850℃，所以铜合金压铸模的工作条件要比铝合金压铸模的更苛刻。

因此铜合金压铸模用材料必须具备很高的抗冷热疲劳性能、一定的韧性、良好的工艺性能。

铜合金压铸模材料一般选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV钢等。为了进一步提高模具使用寿命，采用热强性更好的模具钢，如H19、3Cr3Mo3Co3V等。

Y4钢是针对铜合金压铸模研制的新型热压铸模具钢，在铜合金压铸模的应用方面取得了明显效果，值得推广应用。

常用的压铸模材料选择及硬度要求见表3-25、表3-26。

4.压铸模的热处理

（1）压铸模制造工艺路线

一般压铸模：锻造→退火→机械加工→稳定化处理→精加工成形→淬火及回火→钳工修配→发蓝处理。

形状复杂、精度要求高的压铸模：锻造→退火→粗加工→调质→精加工成形→钳工修配→氮化（或软氮化）→研磨抛光。

（2）压铸模的热处理特点

1）压铸模型腔比较复杂，在粗加工和半精加工时会产生较大的内应力。为了减小淬火变形，在粗加工之后应进行去应力退火，其工艺为650～680℃，保温时间3～5h。保温结束后，型腔简单的模具可直接出炉，在静止空气中均匀、缓慢地冷却。而形状复杂的压铸模需炉冷至400℃出炉空冷。经电火花加工的模具型腔，表面上会产生具有脆性的变质层，形成拉应力，易引起模具裂纹。消除变质层的方法是采用研磨或抛光，然后进行消除应力退火。

表3-25 常用压铸模用材料的选择及硬度要求

表3-26 压铸模成型零件材料选择及硬度要求

（续）

注：成形零件部分主要包括：型腔（整体式或镶块式）、型芯、分流锥、浇口套、特殊要求的顶杆等，型腔、型芯的热处理，也可先调质到硬度为30～35HRC，试模后，进行碳氮共渗至硬度≥600HV。

2）压铸模的预备热处理一般采用球化退火，其目的是在最终热处理前获得均匀的组织和弥散的碳化物以改善钢的强韧性。

3）压铸模用钢多为高合金钢，因其导热性差，必须缓慢进行加热。通常采用预热措施，预热次数的多少，取决于钢的成分和对模具变形的要求。对于变形要求不高的模具，在不产生开裂的情况下，预热次数可以少一些，但变形要求高的模具，必须多次预热。较低温度（400～650℃）的预热，一般在空气炉中进行，预热时间可按1min/mm计算，较高温度的预热，应采取盐浴炉，预热时间仍按1min/mm计。

4）淬火加热。对于典型压铸模具钢来讲，高的淬火加热温度有利于提高热稳定性和抗软化的能力，减轻热疲劳倾向，但会引起晶粒长大和晶界形成碳化物，使韧性和塑性下降，导致严重开裂。因此，对于有较高韧性要求的压铸模，往往采用低温回火，而要求具有较高的高温强度时，则采用较高温度淬火。

为了获得良好的高温性能，保证碳化物能充分地溶解，得到成分均匀的奥氏体，压铸模的淬火保温时间都比较长，一般在盐浴炉中的加热系数取0.8～1min/mm。

5）淬火冷却。对于压铸模用钢，油淬冷速快，可获得良好的性能，但变形开裂的倾向大。所以对于形状简单，变形要求不高的压铸模采用油冷；而形状复杂，变形要求高的压铸模采用分级淬火。为了防止变形和开裂，无论采用什么冷却方式，都不允许冷到室温，一般应冷到150～180℃均热一定时间后立即回火，均热时间可按参考0.6min/mm计算。

6）回火。压铸模必须充分回火，一般回火3次。第一次回火温度选在二次硬化的温度范围，第二次回火温度的选择要使模具达到所要求的硬度值，第三次回火温度要低于第二次10～20℃。回火后均采用油冷或空冷，回火时间不少于2h。

7）表面强化处理。为防止熔融金属粘膜、侵蚀，提高压铸模成形部分的抗蚀性和耐磨性，压铸模常采用表面强化处理。常用的表面强化处理方法有氮化、氮碳共渗、渗铬、渗铝、渗硼等。

（3）对压铸模材料的要求

1）与金属液体接触的零件材料的要求。良好的可锻性和可加工性能，具有较高的高温强度、高温硬度、耐回火性和冲击韧度。对高熔点合金，强度和硬度变化少。良好的导热性和抗热疲劳性。具有足够的高温抗氧化性。热膨胀系数小，以保证铸件的尺寸精度和模具配合部位的精度。高的耐磨性和良好的热处理变形率。

2）滑动配合零件的要求。良好的耐磨性和适当的强度。适当的淬透性和较小的热处理变形率。

3）模套和紧固零件的要求。模套和紧固零件应有足够的强度。压铸模零件常用材料及硬度要求见表3-27。

表3-27 压铸模零件常用材料及硬度要求

注：1.表中所列材料，先列者为优先选用。

2.成形零件热处理，也可先调质到硬度30～35HRC，试模后，软氮化至硬度≥HV600。