热作模具材料选择

摘 要：

以农用铝合金架重力铸造模的模具材料的选择为例，介绍了热作模具材料选择应考虑的影响因素，在生产实际中具有一定的实用性。

关键词：热作模具材料；重力铸造；性能；3Cr2W8V

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2013）10017901

0 前言

热作模具是将加热到再结晶温度以上的固态或液态金属压制成型的工艺装备，包括热锻模具、热挤压模和压铸模三类。下面以农用铝合金架重力铸造模的模具材料，浅谈热作模具钢材的选择方法。该产品为农用铝合金架，尺寸精度要求一般，但外观要求光洁漂亮，文字清晰，产量为4万件。模具为左右对称结构，模板尺寸为185×205×26，如图1所示。

1 模具的工作条件

铸造材料为LY11（新牌号2A11）。这是应用最早的一种硬铝，一般称为标准硬铝，具有中等强度，在退火、淬火和热状态下可塑性尚好，可热处理强化，在淬火和自然时效状态下使用，点焊焊接性良好，用LY11作焊料进行气焊及氩弧焊时有裂纹倾向；包铝板材有良好的稳定性，不包铝的则抗蚀性不高，在加热超过100℃有产生晶体间腐蚀倾向。表面阳极氧化和涂漆能可靠地保护挤压与锻造零件免于腐蚀。可切削在淬火时效状态下尚好，在退火状态时不良。浇铸温度730～750℃，模具预热160-270℃。

热锻模具和热挤压模具不同，重力铸造模具型腔表层承受的温度更高，而承受的压力较低。这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热作模具钢合金化的第一种途径，即加入Cr、W、Si等合金元素可以提高钢的回火稳定性。

2 热作模具的主要失效形式

2.1 变形失效

变形失效是指热作模具频繁与高温毛坯工件接触使用后出现软化，因发生塑性变形超差而引起的失效。对于黑色金属成形，当模具表面软化后硬度低于30HRC时容易发生变形而堆塌。工作载荷大、工作温度高的热挤压模具和锻压模具的凸起部位易产生这类失效。而农用铝合金架模具采用浇铸的方法，模具的变形主要是由于温度变化造成的，压力影响较小。

2.2 热疲劳失效

热疲劳失效是指热作模具在工作过程中因周而复始地反复被加热和冷却，使模具表面产生网状裂纹而引起的失效。在工作过程中工作温差大，反复被快速加热又被快速冷却的压铸模具、锻压模具等易产生热疲劳裂纹。热疲劳裂纹属于表面裂纹，一般较浅，在应力作用下向内部扩展，最终导致模具产生断裂失效。模具材料选取时，应避免由此引起型腔表面出现裂纹的热疲劳现象。

2.3 断裂失效

断裂失效是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂，疲劳断裂和腐蚀断裂。热作模具断裂（特别是早期断裂），与工作载荷过大、选材和材料处理不当及应力集中等有关。

2.4 热磨损失效

热磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生摩擦损耗，而引起的模具尺寸超差和表面损伤失效。模具工作温度、材料的硬度、合金元素及条件等都可能使模具受到磨损。

3 热作模具的性能要求

热作模具材料选择时，应具备较高的高温硬度、优良的耐热疲劳性能、较高的高温强度和韧性、良好的耐磨性等使用性能。同时应具备良好的工艺性能：（1）优良的加工性能、切削加工性能、锻压加工性能。（2）较高的淬透性和淬硬性。未淬透部分的屈服点和韧性会显著降低，影响模具寿命。（3）较小热处理变形倾向。为保证模具质量，要求热处理变形小，组织稳定。（4）较低的脱碳敏感性。表面发生氧化、脱碳，会使硬度、耐磨性和使用寿命降低。

4 常用的热作模具钢材性能比较

4.1 3Cr2W8V

3Cr2W8V热作模具钢，是常用的压铸模具钢，有较高的强度和硬度、耐冷热疲劳性良好，且有较好的淬透性，但其韧性和塑性较差。适用制作高温、高应力下，不受冲击负荷的凸模、凹模，如压铸模、热挤压模、精锻模、有色金属成型模等。

4.2 5CrMnMo

5CrMnMo是在中碳钢的基础上主要加入Cr、Mn、Mo三元素而研制成的，也可看作把5CrNiMo钢中的Ni元素由Mn元素取代而形成的。该钢是热作模具钢，除淬透性、耐热疲劳性稍差外，5CrMnMo钢具有与5CrNiMo钢类似的性能。此钢适于制作要求具有较高强度和高耐磨性的各种类型锻模。要求韧性较高时，可采用电渣重熔钢。5CrMnMo钢中碳含量保持在0.40%～0.60%，可获得较高的强度与耐热疲劳强度、一定的硬度与耐磨性、良好的韧性钢与导热性。

4.3 3Cr3Mo3W2V

3Cr3Mo3W2V钢是热作模具钢，其冷加工、热加工性能良好，淬、回火温度范围较宽；具有较高的热强性、热疲劳性能，又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性等。3Cr3Mo3 W2V钢的韧性和抗热疲劳性能优于3Cr2W8V钢，其使用寿命也高于3Cr2W8V钢。

4.4 4Cr5MoSiV1

4Cr5MoSiV1即美国钢号H13（AISI）是国际上应用广泛的空冷硬化热作模具钢，与4Cr5MoSiV相比，有更高的热强度，在中温条件下具有很好的韧性，600℃作业，热疲劳性能和一定的耐磨性；在较小的奥氏体化温度下空淬，热处理变形小，产生的氧化皮倾向小，可以抵抗熔融铝的冲蚀作用；抗热裂性好，电渣中熔铜，组织致密，电炉精练钢质纯净，具较好的等向性能；广泛应用于制造热挤压模具，芯棒，模锻锤的锤模，锻造压力机模具，精锻机用模具以及铝，铜机器合金的压铸模；适合大型或形状复杂之模具。

5 结语

根据农用铝合金架的产量和重力铸造模的使用要求，考虑经济等因素，在实际生产中最终选择了3Cr2W8V作为模具材料，能够满足生产要求，产品质量良好。

参考文献

[1]李德群.现代模具设计方法[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]张金凤.模具材料与热处理[M].北京：机械工业出版社，2010.