设计性综合实验论文

设计性综合实验论文题目：铝合金压铸模热处理院（系）：北方信息工程学院专业：金属材料工程班级：B080209学生：* *学号：B080209**指导教师：刘**2011年11月摘要铝合金压铸模型腔、型芯、滑块、顶杆、浇口等核心零件在工作中随液态铝合金高温、浸蚀、冲刷、急冷急热作用，常以塑性变形、磨损、开裂、疲劳龟裂等形式失效，要求选用的钢材具有足够高的高温屈服强度、断裂韧性、热磨损抗力、热疲劳抗力和冲击韧度。

我国铝合金压铸模多年来一直采用3Cr2W8V钢制造，这种钢虽然具有良好的高温强度和热硬性，但韧性和热疲劳抗性较差是一大弱点，致使使用这种钢制造的模具因过早出现热疲劳裂纹并较快扩展而影响产品质量4Cr5MoSiV（简称H13）是新型热模具钢，在国际上广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢。

H13钢有较高的热强性和热硬性，有相当高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，即使出现热疲劳裂纹也细而短，不容易扩展，用其制作的模具使用寿命有较大提高。

使用温度不超过600℃是寿命远高3Cr2W8V。

关键词：铝合金压铸模；H13钢；热处理；目录1 绪论 (2)2 实验方案及实验方法 (3)2.1材料选择 (3)2.2失效形式和机理 (5)2.2.1热疲劳失效 (5)2.2.2熔损冲蚀 (6)2.2.3变形失效 (7)2.2.4整体脆断 (8)2.3实验方法 (8)2.3.1退火工艺 (8)2.3.2淬火工艺 (9)2.3.3回火工艺 (10)3 结果与讨论 (12)3.1实验结果 (12)3.1.1 H13钢退火结果 (12)3.1.2 H13钢回火结果 (12)3.2实验讨论 (14)4 结论 (15)参考文献 (15)致谢 (16)1绪论压铸铝合金自1914年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发展和冷室压铸机的发明，得到了快速发展。

特别是中国加入WTO后，开放力度加大，与国外合作频繁，鉴于价格优势和环保要求诸因素，大量压铸零件已转移到中国生产。

近年，由于摩托车、汽车及家电工业迅速发展，压铸行业出现了日新月异的局面，压铸工业新一轮的兴起，兴旺了压铸模制造工业。

进入21世纪以来，我国压铸模设计、制造的技术水平有很大提高，当今国外模具先进加工设备，使用的软件CAD/CAE/CAM、加工工艺及检测设备不少企业已引进和应用，虽然数量还不是很多，但已成为各个模具企业的主要加工设备和手段。

目前我国铝合金模具技术虽有一定的发展，但与国外先进水平相比差距很大，主要表现在制造周期长、模具寿命短、制造精度低等方面，其中模具寿命尤为突出。

国内铝合金压铸模具一般4~8万模次，和国外的差距比较大，如德国为10~2导万模次、日本为7~22万模次。

大中型国产模具寿命一般在3~8 万件之间，平均6 万件，有的甚至3万件不到，而国外同类模具使用寿命可达10~15 万件，模具寿命短，直接导致生产效率的下降和产品成本的提高，影响国民经济的发展。

2实验方案2.1材料选择图2.1如图2.1本实验采用压铸槽为研究对象截取直径为20的试样作为研究对象。

模具材料的选用对模具毛坯在锻造时出现断裂或在淬火时出现工艺缺陷，以及服役时其承载能力降低等情况都跟所选的模具材料密切相关。

为了保证高效率、高质量、高产出的生产，提高模具寿命刻不容缓。

对模具材料有以下性能要求：a)抗热疲劳和抗热冲击性能好，压铸模不易产生裂纹；b)韧性和延展性好，改善了压铸模尖角和凸出部分的抗撞击能力；c)要有良好的可锻性、机加工和抛光性，节省了模具制造工时，降低了压铸模的表面粗糙度；d)热处理变形小，尺寸稳定，热膨胀系数小；e)提高了模具硬度，具有很好的热硬性；f)要有良好的热强性、淬透性、耐磨性；g)具有足够的高温抗氧化性；h)热膨胀系数小，有良好的；i)目前常用的材料有：3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1(H13)。

过去我国一直沿用3Cr2W8V钢作为压铸铝合金的材料，由于该钢种经常规热处理后韧性塑性较差，模具在使用中早期龟裂和模体变形等情况常有发生。

另外，其多数为非精炼钢，存在偏析、非金属杂质含量偏高等问题。

故目前国内众多的模具制造厂均用4Cr5MoV1Si(H13)钢取代3Cr2W8V钢制造压铸模，使模具的使用寿命由原来的2万次左右，延长到25万次以上。

如表2.1，H13与3Cr2W8V性能的比较。

表2.1对于压铸铝合金，使用H13钢具有较高的模具寿命。

H13压铸模经淬火和回火最终热处理后，大、中型压铸模块最佳硬度为HRC44~48，小压铸模块最佳硬度HRC46~50。

在上述硬度范围内模块具有最佳的强度和韧性组配。

H13钢的化学成份 C 0.32—0.45 Mn 0.20—0.50 Si 0.80—1.20 Gr 4.75—5-5 Mo 1.10—1.75 V 0.80—1,20 （%）2.2失效形式和机理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还要高。

压铸有色金属时的温度400~800℃，压铸黑色金属时的温度可达1000℃以上。

同时，还承受了很高的压力(20~120MPa)，还受到反复加热和冷却以及金属液流动的高速冲刷而产生的磨损和腐蚀，并被反复加热、冷却，工作环境比较恶劣。

通常，把实际寿命低干平均工作寿命下限50%的模具称为早期失效，高于平均工作寿命上限30%的模具称为长效。

随着工业高速发展，铝合金压铸模服役条件更加苛刻，对使用性能提出了更高要求，国内铝合金压铸模早、中期失效严重。

2.2.1热疲劳失效热裂纹通常形成于模具型腔表面或内部热应力集中处，当裂纹形成后，应力重新分布，裂纹发展到一定长度时，由于塑性应变而产生应力松弛使裂纹停止扩展。

随着循环次数的增加，裂纹尖端附近出现一些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂纹继续扩展，最后裂纹间相互连接形成网络状裂纹而导致模具失效。

图2.2是模具表面往往产生网状裂纹，即热疲劳裂纹的形态。

如图2.3为热疲劳裂纹形态。

热裂主要是材料热应力疲劳所引起，即材料在热应力的作用下，由于经常反复或脉动应变而产生的一种连续的、局部的、永久性的组织变化。

与热裂相对应的最重要的性能是材料的抗热疲劳性。

图2.2 图2.3热疲劳失效是压铸模最主要的失效形式。

热疲劳裂纹大量出现后，工件表面质量下降。

又由于铝液渗入热疲劳裂纹中，工件脱模时被迫变形、拉伤甚至撕裂，模具从而失效。

若压铸模钢纯度不高，杂质超标，含有气体，成分偏析，碳化物不均匀等将急剧降低热疲劳寿命，钢中夹杂物是热疲劳裂纹源。

正确地设计浇注系统和内浇口位置，对延缓热疲劳裂纹的出现很有作用。

没计浇注系统时应注意避免金属液流正面冲击型腔和型芯。

有资料表明，与抗热疲劳性能有关的最重要的力学性能是材料的强度，另一种观点则更倾向于材料的韧性。

铝压铸模具的热疲劳裂纹中存在疲劳辉纹，并以弹性应变为主，而且多数模具的使用寿命在104~105次以上，具有高周疲劳的特性。

根据疲劳强度理论，强度高的材料更能适应长周期的弹性应变，在这种情况下，抗热疲劳性能与强度的联系更为紧密。

但是，如果型腔表面的工作温度偏高(如压铸铜及铁基合金等)或因其他因素使模具产生过大的热应力，从而使应变幅度大大超过材料的弹性应变范围，应变则以塑性应变为主，具有低周疲劳特性。

此时韧性高的材料具有更大的优势。

因此考核材料的热疲劳性能时，应注意区分材料的疲劳形式，并据此确定模具合适的强韧性配合。

2.2.2熔损冲蚀压铸时熔融铝液在高温、高压下，高速冲击和碰撞型腔，造成型腔表面的机械磨蚀，同时金属铝与模具材料生成脆性的铁铝化合物，成为热裂纹新的萌生源。

在交变应力反复作用下，致使型面点蚀与麻坑，如图2.5。

型腔表面受到不均匀摩擦作用而产生的磨损，如图2.4。

机械冲蚀主要是磨蚀和气蚀。

图2.4 图2.5磨蚀是因合金含有不均匀相熔融铝合金流过型腔引起，铝液约在720℃时与模具钢型腔起化学反应，气蚀是因铝液气泡逸出和型面化学成分变化与氧化脱碳及铝液粘着型面引起。

当用焊枪去除模面粘结铝液时，因模具局部受热升温，形成回火过渡区，产生应力集中导致热裂，因热疲劳抗力急剧降低会引起应力腐蚀。

此外，当铝充填到裂纹之中，铝与裂纹壁产生机械作用，这种作用与热应力叠加，加剧裂纹尖端的拉应力从而加快了裂纹的扩展。

提高材料的高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗侵蚀能力。

2.2.3变形失效模具型腔或其它部位在使用中产生变形，使得工件超差、表面质量下降或影响压铸正常行的现象称为变形失效。

变形失效又可分为损伤性变形失效和非损伤性变形失效。

最常见陨伤性变形失效是模具工作时因粘有工件留下的毛刺、微粒等，在模具表面造成压痕、塌陷，或者于设计不当，型腔局部温度过高而软化等。

非损伤性变形多发生在长效模具上，特别是多发生在模架上。

因此，模架的组织稳定处理、中间去应力回火等因受到充分的重视。

2.2.4整体脆断整体脆断是由于偶然的机械过载或热过载而导致模具灾难性断裂。

材料的塑韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。

材料中有严重缺陷或操作不当，会引起整体脆断。

随着钢中夹杂物的减少，尤其是S含量的降低，韧性将明显提高。

在实际生产中，整体脆断的情况是不常发生的。

铝合金压铸模工作条件恶劣，在高速、高压和高温下成型，承受高的冷热交变应力与机械应力等综合作用，国内外统计数据表明，该模主要失效形式比例：热疲劳龟裂60%~70%、崩块、断裂15%~25%、塑性变形15%~25%、熔损冲蚀5%~10%和压铸件不易脱模与外观质量差等。

国内生产相同产品铝合金压铸模寿命仅为工业发达国家的一半。

因此，必须从各方面采取方法提高铝合金压铸模的使用寿命。

2.3实验方法2.3.1退火工艺H13钢锻后碳化物带状偏析有时也较严重，常规退火工艺（组织得到片状珠光体+少量块状碳化物）不能满足。

采用高温固溶——段时间等温球化退火工艺（得到组织为球状珠光体+少量弥散分布粒状碳化物），碳化物可以到超细化水平，碳化物带状偏析可以得到均匀化，因此二次碳化物也较少出现。

使碳化物不均匀分布得到明显改善，甚至消除。

2.3.2淬火工艺图2.6根据热作模具的服役特点，如图2.6淬火温度选在1020℃.选择淬火温度目的在于获得最紧要的性能。

高温强度随淬火温度升高而增高，但强度的增高是牺牲韧性的条件下得到的，淬火温度越高，钢对晶粒长大越敏感。

粗晶粒比细晶粒钢韧性差，容易产生裂纹而损坏。

冷却速度低导致冲击韧性差，容易产生裂纹而损坏。

冷却速度低导致冲击韧性低，要使H13钢获得尽可能的冲击韧性就应该把高的淬火温度和高的冷却速度恰当地结合起来铝合金压铸模的升温速度，以每小时200℃左后为最理想。

也可以快速进行预热，预热的目的在于防止升温中因热应力或相变应力而产生的变形，以及800℃左右由相变引起的收缩变形，因此采用二次预热。