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铝合金压铸用新型热作模具钢的制备及性能研究

时间:2021-06-09 15:46:54 来源:江苏富来客金属 点击72次

铝合金压铸用新型热作模具钢的制备及性能研究

随着我国经济的快速发展,我国模具制造业也取 得了突飞猛进的发展。压铸模具是利用高速压力,将 熔融或半熔融的金属注入压铸模具型腔内成形金属半 成品或成品的一种模具㈣。在压铸模具工作的过程中, 模具需要承受复杂多变的机械冲击和冷热交替的温差 作用,同时在金属的充型过程中,模具内腔还会受到 热冲击和磨损[3-71。由于反复的冷热循环热冲击,使得 模具型腔表面组织发生了变化,随着使用时间的延长, 会使模具内腔出现坍塌、裂纹以及磨损等缺陷,当缺 陷进一步发展时会使模具失效㈨Ol。目前,国内外应用 较多的压铸模具钢有H13、QR045、QRO 80M、 BHl0A以及CrN等,我国常用来进行铝合金压铸用模 具钢有4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiVl(H13)、 4Cr5M02MnSiVl(Y10)、3Cr3M03VNd(HM3)和 3Cr2W8V等阳。这些钢在使用过程中以 4Cr5M02MnSiVl(YIO)模具钢表现最优异,它是一 种新型铝合金压铸用模具钢。总体而言,目前的铝合 金压铸用模具钢在使用过程中失效的主要形式为热疲 劳破坏、严重脆性开裂、磨损和坍塌等刚0]。

为了进一步提高铝合金压铸用模具钢的寿命,开 发新型铝合金压铸用模具钢,对于模具制造企业乃至 用户效益的提高均具有重要意义。因而,本研究以铝 合金压铸用模具钢为研究对象,通过添加不同合金元 素,制备了新型铝合金压铸用模具钢,探讨了不同热 处理工艺对模具钢性能的影响,为压铸模具的选用提 供了一定的试验基础。

1、试验材料及方法

试验过程中,通过调整Cr、Mo以及V等合金元素 的添加量,设计和制备新型压铸用模具钢组成,并进 行熔炼制备。设计的压铸模具钢化学组成如表1所示。 试验过程中,采用中频感应电炉不氧化法熔炼试验模 具钢,在熔炼过程中,当钢液温度达到1 500℃左右 时,进行脱氧处理,脱氧处理后再采用冲人法对钢液 进行孕育变质处理,最后浇注成试样。浇注完的试样 在750℃左右进行退火处理后,利用机械加工成标准试样。热处理温度分别为960、980、1 000、1 020、 1 040℃,采用机油进行淬火,淬火保温时间均为 40 min;淬火完成后,再对试样进行回火处理,回火 处理温度为500℃,回火介质为空气,回火保温时间 为2 h。耐铝合金热熔损试验采用高温浸泡法,先将铝 合金加热到一定温度熔融,再将模具钢试样浸泡在铝 合金液中,试验温度为780℃,浸泡时间分别为1、2、 3、4、5 h。摩擦磨损试验采用HT.500销盘式摩擦试验 机在室温下进行,载荷为100 N,滑动速度为0.8 m/s, 时问为15 min,磨损率的计算公式为:K=V/(Nxd),式 中,y为磨损体积(磨损失重Am/销试样密度p),N为 载荷,d为滑行距离。最后,将热处理后的样品按照国 家标准GB/T 397—2009,GB/T 228—2010,GB/T 229— 2007,GB/T 1818—1994进行制样和试验,测定热处理 后热作模具样品的力学性能,试验设备为SWD一100电 子万能试验机。JB一50冲击试验机以及HR50型洛氏硬 度计,高温硬度利用AKA高温硬度计进行测试。最后, 对最佳样品断面采用JSM.35型扫描电镜进行观察分析。

2、结果分析与讨论

2.1 热处理对模具钢强度和韧性的影响

图1是试验设计的铝合金压铸用热作模具钢在不同淬火温度下淬火+500℃回火处理后模具钢样品抗拉强 度和冲击韧性随淬火温度变化曲线。结合表1模具钢的 化学成分,从图1a模具钢样品的抗拉强度变化曲线可 以发现,随Mo、V以及Cr合金元素添加量的增加,模 具钢样品的抗拉强度呈现增加趋势。随淬火温度的升 高,模具钢样品的抗拉强度值呈现先增加,后略有下 降趋势。对应的,从图1b模具钢样品的冲击韧性变化 曲线中可以发现,随Mo、V以及cr合金元素添加量的 增加,模具钢样品的冲击韧性呈逐渐下降趋势。随淬 火温度的升高,模具钢样品的冲击韧性值与对应的抗 拉强度值呈相反的趋势。图1a和图1b显示,当淬火温 度为1 000℃时,Al和A2模具钢样品的抗拉强度值最 大,分别为1 627.4 MPa和1 642.5 MPa,而对应的冲击 功分别为8.9 J和8.6 J。从中还可以发现,当淬火温度 为1 020℃时,A3模具钢样品的抗拉强度值最大,为 1 712.5 MPa,而对应的冲击功为7.9 J。分析原因可知, 当淬火温度较低时,模具钢样品中的金相中奥氏体不 能充分均匀化,且碳化物在基体中的固溶不充分,导 致模具钢组织不均匀,因而对应的抗拉强度值较低。 当淬火温度达到一定程度,如A1和A2在1 000℃,A3 在1 020℃时,模具钢样品中板条状马氏体数量逐渐增 加,组织变得均匀,因而对应的模具钢试样的抗拉强 度均增加。当淬火温度过高时,由于内部扩散加快, 组织内部出现部分晶粒长大粗化,从而使得对应的抗 拉强度值下降;同时,由于合金元素在基体中的溶人 降低了马氏体的I临界转变点,当淬火温度较高时,室 温下存在的残余奥氏体数量随之增加,对应的冲击功 提高。

2.2热处理对模具钢硬度的影响

图2是试验设计的三组模具钢试样在不同淬火温度 下淬火后,再经500℃回火处理后对应的硬度值随淬 火温度的变化曲线。结合表1模具钢的化学组成,从图 2中可以发现,当模具钢中Mo、V以及cr合金元素添加 量的增加时,相同淬火温度下,模具钢样品的硬度值 呈现依次增加趋势。随淬火温度的升高,模具钢试样 的硬度值呈现先增加,后略有下降趋势,这与对应的 模具钢样品抗拉强度值变化趋势相同。当淬火温度为 960℃时,A1至A3模具钢样品的硬度值分别为 HRC 47.65、HRC 48.62以及HRC 50.12。随淬火温度的 升高,A1和A2模具钢样品的硬度值均在淬火温度为 1 000℃时达到最大,A3模具钢样品的硬度值在淬火 温度为1 020℃时达到最大,为HRC 52.83。当淬火温度为1 040℃时,A1、A2以及A3模具钢样品的硬度值 均有所下降,分别为HRC 48.32、HRC 48.95以及 HRC 52.15。分析可知,随淬火温度的升高,各模具钢 试样基体中溶解的碳化物越来越多,另一方面基体中 的合金元素硬化作用更加明显,因而硬度值出现增加。 当淬火温度超过一定值后,由于内部扩散加快,组织 内部出现部分晶粒长大粗化;另一方面,由于合金元 素的在基体中的溶人降低了马氏体的临界转变点,当 淬火温度较高时,室温下存在的残余奥氏体数量随之 增加,从而使得模具钢样品硬度值下降。

2.3合金元素对模具钢耐铝热熔损的影响

对于铝合金压铸模具来说,模具的耐热熔损性能 与浇铸的铝合金熔体状态密切相关,因而对于模具钢 的耐铝热熔损性能测试至关重要。试验选取的模具钢 样品为A1(1 000℃淬火+500℃回火)、A2(1 000℃ 淬火+500℃回火)以及A3(1 020℃淬火+500℃回 火),试验温度为780℃。结合表1模具钢的化学组成 可以发现,在相同的热浸渍时间下,随合金元素Mo、 v以及cr元素添加量的增加,模具钢单位面积熔损率 逐渐变小。随铝合金熔体浸渍时间的延长,模具钢的 熔损率均增加。当在铝合金熔体中浸渍试验1 h时, A1、A2以及A3模具钢样品的熔损率值分别为12.5 g/dm2、 8.5 g/dm2以及5.7 g/dm2;随试验时间的延长,当在铝合 金熔体中浸渍试验5 h时,A1、A2以及A3模具钢样品 的熔损率值分别为19.4 g/am2、13.6 g/din2以及9.8 g/am2。 图3中显示,A3模具钢试样具有最佳的耐铝热熔损性 能。分析可知,在A3模具钢中由于添加了最多Mo、V 以及Cr合金元素,其中Cr元素在低温下具有较好的耐 热性能,因而,添加量较高时,其耐热熔损性能较好。

2.4模具钢耐磨损性能分析

由于压铸用热作模具钢工作过程中通常需要承受 挤压和冲刷,因而,对于模具钢的耐磨损性能测试显 得必不可少。图4是试验选取的模具钢样品为A1 (1 000℃淬火+500℃回火)、A2(1 000℃淬火+500℃ 回火)以及A3(1 020℃淬火+500℃回火)经过摩擦 磨损试验后结果。其中,图4a是A1、A2以及A3模具钢 样品的磨损率测试结果,图4b是A3模具钢试样磨损试 验后表面XRD分析结果。对于压铸模具来说,模具在 使用过程中,模具型腔承受着强烈的机械压力和冷热 交替变化作用,这造成模具表面要承受较大的热冲击, 周期的交变应力造成压铸模具表面出现热裂纹,最终 扩展使模具失效。从图4a中可见,A3模具钢试样具有 最佳的耐磨性能,主要是因为A3模具钢中cr元素含量 最高,而Cr元素通常是一种抗氧化合金元素,在摩擦 过程中会优先促进模具钢表面形成氧化膜,且氧化膜 非常致密,与基体结合紧密,因而对模具钢基体具有 良好的保护作用。图4b中显示,摩擦过程中表面主要 形成的氧化物为Fe:O,和Fe,O。,能对基体形成良好的保 护。

2.5模具钢显微结构分析

图5是A3模具钢样品在1 020℃淬火和500℃回火 后样品微观组织形貌。图5中显示,A3模具钢样品组 织中以板条状的马氏体为主,同时也存在少量的粒状 碳化物和残余奥氏体。结合图1和图2分析可知,当淬 火温度较低时,经过热处理后的模具钢组织中碳化物 未充分固溶,且奥氏体均匀化不充分。随着淬火温度 的进一步升高,模具钢基体中的粒状碳化物充分固溶, M,C发生溶解,同时其内部的针状马氏体组织逐渐转 化为板条状组织;当淬火温度达到1 020。C时,模具钢 组织中的碳化物主要是富含合金元素的M。C以及MC, 而此类碳化物稳定性较好,这使模具钢性能得到提高。

3、结论

(1)以Mo、V以及cr为主要合金化元素,研究了 热处理工艺对模具钢性能的影响规律。结果表明A3样 品为最佳样品,当在1 020℃淬火40 min+500℃回火2 h 时样品性能最佳,此时所制备的模具钢抗拉强度为1 712.5 MPa,冲击功为7.9 J,硬度值为HRC52.83。

(2)研究了模具钢的耐铝热熔损性能和摩擦磨损 性能,结果显示A3模具钢试样具有最佳的耐铝热熔损 性能和耐磨损性能,合金元素的加入,特别是cr元素 的加入可以提高模具钢耐热熔损性能,同时促进在摩 擦过程中形成致密氧化膜。

(3)最佳模具钢样品的组织以板条状马氏体为 主,同时存在少量的粒状碳化物和残余奥氏体。