鋁鎂合金壓鑄模熱處理工藝探討與應用

夏靜

摘要：采用強韌化處理及表面強化處理工藝，是提高模具性能和壽命的重要生產途徑。本文根據鋁鎂合金壓鑄模工作條件與性能要求，詳細分析模具熱處理特點及常用工藝，指出合理制訂熱處理工藝規范，能夠保證模具表面硬度、耐磨性和心部強度、韌性，防止金屬液體侵蝕、粘模，有效降低廢品率，顯著提高模具使用壽命。

關鍵詞：鋁鎂合金壓鑄模;強韌化處理;表面強化處理;使用壽命

0? 引言

鋁鎂合金以其低密度高強度越來越多得到廣泛應用，其中鋁鎂合金壓鑄技術作為先進的少無切削工藝，具有生產效率高、節省原材料、降低生產成本、產品性能好、精度高等特點，主要用于電子、汽車、電機、家電等行業，一些高性能、高精度、高韌性的優質鋁鎂合金產品也被應用到大型飛機、船舶等技術要求比較高的行業中。

1? 鋁鎂合金壓鑄模工作條件與性能要求

鋁鎂合金壓鑄模是在壓鑄機上用來壓鑄鋁鎂合金鑄件的成型模具，鋁合金的熔點為600～750℃，鎂合金的熔點為600～700℃，在進行這類合金壓鑄時，壓鑄模的工作表面溫度一般可上升到500～600℃。型腔、芯棒和噴嘴的表面都承受著劇烈的溫度波動，模具表面易產生熱疲勞裂紋。另外鋁鎂合金在壓鑄過程中，容易粘附在模具的表面，影響壓鑄生產的連續運行。液態鋁鎂合金對模具表面有較強的沖蝕作用。所以制造鋁鎂合金的壓鑄模，要求模具材料在600℃左右具有較高的抗回火穩定性和抗冷熱疲勞的性能，具有良好的抗高溫高壓高速液態鋁鎂合金沖蝕能力和較高的強度與韌性，同時還需進行正確的熱處理，以挖掘模具材料的潛力，提高模具使用壽命。目前，模具制造中常用的鋁鎂合金壓鑄模用鋼有：3Cr2W8V鋼、4Cr5MoSiV1鋼、4Cr3Mo3SiV鋼、4Cr5MoSiV鋼以及新鋼種4Cr5Mo2MnSiV1鋼和3Cr3Mo3VNb鋼等。

2? 鋁鎂合金壓鑄模制造工藝路線

鋁鎂合金壓鑄模制造工藝流程是：下料→鍛造→球化退火→機械加工→淬火、回火→修、磨、拋光→滲氮（氮碳共滲）→裝配使用。

3? 鋁鎂合金壓鑄模強韌化處理工藝

鋁鎂合金壓鑄模的強韌化處理就是通過對鋼的組織結構進行改變，使模具獲得所需要的組織和性能。熱處理應根據模具的材料、模具形狀、尺寸、復雜程度來決定其熱處理工藝規范。

3.1 預先熱處理

壓鑄模的預先熱處理可采用連續退火、等溫退火和調質熱處理三種工藝，其目的是在最終熱處理前獲得均勻的組織和彌散分布的碳化物以改善鋼的強韌性。連續退火工藝較為簡便，也可獲得較好的粒狀珠光體組織。對形狀復雜和要求較高的壓鑄模，采用等溫退火可以獲得更理想的粒狀珠光體組織。

3.2 淬火預熱

壓鑄模具用鋼多為導熱性差的高合金鋼，在淬火加熱時常常采取預熱措施，預熱次數及溫度的多少，取決于模具鋼的成分和對模具變形的要求。對淬火溫度低、形狀簡單、對變形要求不高的模具，在不產生開裂的情況下，淬火加熱時要進行一次預熱（800～850℃）。對較高溫度淬火和形狀復雜、變形要求高的模具，必須二次預熱（600～650℃、800～850℃），其目的是減少加熱過程中產生的應力，同時使模具整體的組織均勻。

3.3 淬火加熱

壓鑄模的淬火加熱溫度可根據各鋼號的淬火加熱規范執行。如3Cr2W8V鋼淬火溫度為1050～1150℃，H13鋼淬火溫度為1020～1100℃。提高兩種鋼的淬火溫度可以提高壓鑄模的高溫強度及冷熱疲勞抗力，但會增大模具的變形量。在鹽浴爐中加熱時，為避免模具表面的氧化脫碳，應采用脫氧良好的氯化鋇鹽浴，并經常進行脫氧。在箱式電阻爐中加熱時，應采取保護氣氛;或經裝箱后在一般箱式電阻爐中進行加熱。為了保證碳化物充分溶解，獲得成分均勻的奧氏體，并獲得良好的高溫性能，壓鑄模淬火加熱保溫時間應適當延長，一般在鹽浴爐中加熱保溫系數取0.8～1.0min/mm。

3.4 淬火冷卻

油淬冷速快，可獲得良好性能，但變形開裂的傾向性大。一般對于形狀簡單、變形要求不高的壓鑄模采用油冷;對于形狀復雜、變形要求高的壓鑄模，為防止模具變形和開裂，宜采用分級淬火。淬火冷卻應盡量緩慢，以減少淬火變形，在真空電阻爐中加熱淬火，冷卻可采取氣淬。在鹽浴滬中加熱淬火，冷卻時可采取分級淬火等方法。模具淬火冷卻時一般冷到150～200℃均熱后應立即回火，不允許冷卻到室溫。

3.5 回火

壓鑄模的硬度要求是通過回火來實現的，而壓鑄模型腔的硬度直接影響到模具的冷熱疲勞壽命。材料不同、淬火溫度不同，回火溫度也是不一樣的。如3Cr2W8V鋼鋁鎂合金壓鑄模的硬度要求一般為42～48HRC，其回火溫度一般在560～620℃之間選擇，但若采用高溫淬火，則回火溫度高達670℃。1150℃淬火650℃回火后硬度為45HRC;而1050℃淬火650℃回火后硬度為35HRC。而H13鋼鋁鎂合金壓鑄模硬度要求為44～50HRC，H13鋼的二次硬化峰在500℃回火時出現，但峰值大小與淬火溫度有關。回火溫度一般選560～620℃。回火宜進行2～3次，第一次回火溫度可低一些，第一次回火后，測定其硬度值，如已達到硬度要求，則應調低回火溫度20～30℃，以免硬度下降。如硬度偏高，則根據硬度偏高情況，適當調高回火溫度，以求達到硬度要求。第三次回火是為了提高韌性，回火溫度應比第二次回火溫度低30～50℃。回火保溫時間要充分，以消除淬火時產生的應力，減少模具裂紋的形成，每次回火保溫時間以2h為宜，大型模具保溫時間適當延長。由于淬火后壓鑄模具的熱應力和組織應力很大，一般模具冷卻到150～200℃后立即回火。

4? 鋁鎂合金壓鑄模表面強化處理工藝

鋁鎂合金壓鑄模在淬火回火后，表面硬度并不是很高。為了使模具表面獲得很高的硬度及耐磨性，而心部仍保持有足夠的強度和韌性，同時也為了提高鋁鎂合金壓鑄模的防粘模性能，可對模具進行表面滲氮或氮碳共滲處理。

4.1 滲氮處理

滲氮是向鋼的表面滲氮以提高表層氮濃度的熱處理過程。滲氮的目的是減小模具零件變形，提高鋁鎂合金壓鑄模表面硬度、耐磨性、疲勞強度及抗咬合性，提高模具抗大氣、過熱蒸汽的腐蝕能力，提高抗回火軟化能力，降低缺口敏感性。固體滲氮、液體滲氮和氣體滲氮是常見滲氮方法。離子滲氮、真空滲氮、電解催滲滲氮和高頻滲氮等新技術能夠大大縮短滲氮周期，獲得高質量滲氮層，提高企業經濟效率，因而在生產中得到廣泛應用。

4.2 氮碳共滲

氮碳共滲是氨加醇類液體（甲醇、乙醇）以及尿素、甲酰膠和三乙醇膠等共滲介質在一定溫度下發生熱分解反應，產生活性氮、碳原子，被鋁鎂合金壓鑄模表面吸收后，擴散滲人模具表層，獲得以氮為主的氮碳共滲層，使模具得到較高的表面硬度、疲勞抗力、耐磨性和耐蝕性。氮碳共滲方法有液體法和氣體法，生產中應用的大多是氣體氮碳共滲。

H13鋼鋁合金壓鑄模在高溫鹽浴爐中采用550℃×40min和850℃×40min兩段預先熱處理加熱，1030℃淬火、600℃回火再經580℃氣體氮碳共滲熱處理后，模具表面硬度達900HV以上，基體硬度46～48HRC，模具的耐磨性、抗疲勞性、耐蝕性得到明顯改善，且無粘附、剝落、擦傷及腐蝕現象，有效提高模具壽命。

5? 結論

鋁鎂合金壓鑄模作為重要的加工工藝裝備，其性能好壞，壽命高低，直接影響到企業產品質量和經濟效益。調研統計表明因熱處理工藝不當而導致模具失效占失效總數的50%左右，因此合理選用強韌化處理及表面強化處理工藝，嚴格控制熱處理工藝規范，是提高模具性能和壽命的重要途徑。鋁鎂合金壓鑄模生產中要根據模具工作條件，分析研究失效原因，合理制訂熱處理工藝，保證模具表面硬度、耐磨性和心部強度、韌性，防止金屬液體侵蝕、粘模，有效降低廢品率，顯著提高模具使用壽命。

參考文獻：

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