铝镁合金压铸模热处理工艺探讨与应用

夏静

摘要：采用强韧化处理及表面强化处理工艺，是提高模具性能和寿命的重要生产途径。本文根据铝镁合金压铸模工作条件与性能要求，详细分析模具热处理特点及常用工艺，指出合理制订热处理工艺规范，能够保证模具表面硬度、耐磨性和心部强度、韧性，防止金属液体侵蚀、粘模，有效降低废品率，显著提高模具使用寿命。

关键词：铝镁合金压铸模;强韧化处理;表面强化处理;使用寿命

0  引言

铝镁合金以其低密度高强度越来越多得到广泛应用，其中铝镁合金压铸技术作为先进的少无切削工艺，具有生产效率高、节省原材料、降低生产成本、产品性能好、精度高等特点，主要用于电子、汽车、电机、家电等行业，一些高性能、高精度、高韧性的优质铝镁合金产品也被应用到大型飞机、船舶等技术要求比较高的行业中。

1  铝镁合金压铸模工作条件与性能要求

铝镁合金压铸模是在压铸机上用来压铸铝镁合金铸件的成型模具，铝合金的熔点为600～750℃，镁合金的熔点为600～700℃，在进行这类合金压铸时，压铸模的工作表面温度一般可上升到500～600℃。型腔、芯棒和喷嘴的表面都承受着剧烈的温度波动，模具表面易产生热疲劳裂纹。另外铝镁合金在压铸过程中，容易粘附在模具的表面，影响压铸生产的连续运行。液态铝镁合金对模具表面有较强的冲蚀作用。所以制造铝镁合金的压铸模，要求模具材料在600℃左右具有较高的抗回火稳定性和抗冷热疲劳的性能，具有良好的抗高温高压高速液态铝镁合金冲蚀能力和较高的强度与韧性，同时还需进行正确的热处理，以挖掘模具材料的潜力，提高模具使用寿命。目前，模具制造中常用的铝镁合金压铸模用钢有：3Cr2W8V钢、4Cr5MoSiV1钢、4Cr3Mo3SiV钢、4Cr5MoSiV钢以及新钢种4Cr5Mo2MnSiV1钢和3Cr3Mo3VNb钢等。

2  铝镁合金压铸模制造工艺路线

铝镁合金压铸模制造工艺流程是：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火、回火→修、磨、抛光→渗氮（氮碳共渗）→装配使用。

3  铝镁合金压铸模强韧化处理工艺

铝镁合金压铸模的强韧化处理就是通过对钢的组织结构进行改变，使模具获得所需要的组织和性能。热处理应根据模具的材料、模具形状、尺寸、复杂程度来决定其热处理工艺规范。

3.1 预先热处理

压铸模的预先热处理可采用连续退火、等温退火和调质热处理三种工艺，其目的是在最终热处理前获得均匀的组织和弥散分布的碳化物以改善钢的强韧性。连续退火工艺较为简便，也可获得较好的粒状珠光体组织。对形状复杂和要求较高的压铸模，采用等温退火可以获得更理想的粒状珠光体组织。

3.2 淬火预热

压铸模具用钢多为导热性差的高合金钢，在淬火加热时常常采取预热措施，预热次数及温度的多少，取决于模具钢的成分和对模具变形的要求。对淬火温度低、形状简单、对变形要求不高的模具，在不产生开裂的情况下，淬火加热时要进行一次预热（800～850℃）。对较高温度淬火和形状复杂、变形要求高的模具，必须二次预热（600～650℃、800～850℃），其目的是减少加热过程中产生的应力，同时使模具整体的组织均匀。

3.3 淬火加热

压铸模的淬火加热温度可根据各钢号的淬火加热规范执行。如3Cr2W8V钢淬火温度为1050～1150℃，H13钢淬火温度为1020～1100℃。提高两种钢的淬火温度可以提高压铸模的高温强度及冷热疲劳抗力，但会增大模具的变形量。在盐浴炉中加热时，为避免模具表面的氧化脱碳，应采用脱氧良好的氯化钡盐浴，并经常进行脱氧。在箱式电阻炉中加热时，应采取保护气氛;或经装箱后在一般箱式电阻炉中进行加热。为了保证碳化物充分溶解，获得成分均匀的奥氏体，并获得良好的高温性能，压铸模淬火加熱保温时间应适当延长，一般在盐浴炉中加热保温系数取0.8～1.0min/mm。

3.4 淬火冷却

油淬冷速快，可获得良好性能，但变形开裂的倾向性大。一般对于形状简单、变形要求不高的压铸模采用油冷;对于形状复杂、变形要求高的压铸模，为防止模具变形和开裂，宜采用分级淬火。淬火冷却应尽量缓慢，以减少淬火变形，在真空电阻炉中加热淬火，冷却可采取气淬。在盐浴沪中加热淬火，冷却时可采取分级淬火等方法。模具淬火冷却时一般冷到150～200℃均热后应立即回火，不允许冷却到室温。

3.5 回火

压铸模的硬度要求是通过回火来实现的，而压铸模型腔的硬度直接影响到模具的冷热疲劳寿命。材料不同、淬火温度不同，回火温度也是不一样的。如3Cr2W8V钢铝镁合金压铸模的硬度要求一般为42～48HRC，其回火温度一般在560～620℃之间选择，但若采用高温淬火，则回火温度高达670℃。1150℃淬火650℃回火后硬度为45HRC;而1050℃淬火650℃回火后硬度为35HRC。而H13钢铝镁合金压铸模硬度要求为44～50HRC，H13钢的二次硬化峰在500℃回火时出现，但峰值大小与淬火温度有关。回火温度一般选560～620℃。回火宜进行2～3次，第一次回火温度可低一些，第一次回火后，测定其硬度值，如已达到硬度要求，则应调低回火温度20～30℃，以免硬度下降。如硬度偏高，则根据硬度偏高情况，适当调高回火温度，以求达到硬度要求。第三次回火是为了提高韧性，回火温度应比第二次回火温度低30～50℃。回火保温时间要充分，以消除淬火时产生的应力，减少模具裂纹的形成，每次回火保温时间以2h为宜，大型模具保温时间适当延长。由于淬火后压铸模具的热应力和组织应力很大，一般模具冷却到150～200℃后立即回火。

4  铝镁合金压铸模表面强化处理工艺

铝镁合金压铸模在淬火回火后，表面硬度并不是很高。为了使模具表面获得很高的硬度及耐磨性，而心部仍保持有足够的强度和韧性，同时也为了提高铝镁合金压铸模的防粘模性能，可对模具进行表面渗氮或氮碳共渗处理。

4.1 渗氮处理

渗氮是向钢的表面渗氮以提高表层氮浓度的热处理过程。渗氮的目的是减小模具零件变形，提高铝镁合金压铸模表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗咬合性，提高模具抗大气、过热蒸汽的腐蚀能力，提高抗回火软化能力，降低缺口敏感性。固体渗氮、液体渗氮和气体渗氮是常见渗氮方法。离子渗氮、真空渗氮、电解催渗渗氮和高频渗氮等新技术能够大大缩短渗氮周期，获得高质量渗氮层，提高企业经济效率，因而在生產中得到广泛应用。

4.2 氮碳共渗

氮碳共渗是氨加醇类液体（甲醇、乙醇）以及尿素、甲酰胶和三乙醇胶等共渗介质在一定温度下发生热分解反应，产生活性氮、碳原子，被铝镁合金压铸模表面吸收后，扩散渗人模具表层，获得以氮为主的氮碳共渗层，使模具得到较高的表面硬度、疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性。氮碳共渗方法有液体法和气体法，生产中应用的大多是气体氮碳共渗。

H13钢铝合金压铸模在高温盐浴炉中采用550℃×40min和850℃×40min两段预先热处理加热，1030℃淬火、600℃回火再经580℃气体氮碳共渗热处理后，模具表面硬度达900HV以上，基体硬度46～48HRC，模具的耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性得到明显改善，且无粘附、剥落、擦伤及腐蚀现象，有效提高模具寿命。

5  结论

铝镁合金压铸模作为重要的加工工艺装备，其性能好坏，寿命高低，直接影响到企业产品质量和经济效益。调研统计表明因热处理工艺不当而导致模具失效占失效总数的50%左右，因此合理选用强韧化处理及表面强化处理工艺，严格控制热处理工艺规范，是提高模具性能和寿命的重要途径。铝镁合金压铸模生产中要根据模具工作条件，分析研究失效原因，合理制订热处理工艺，保证模具表面硬度、耐磨性和心部强度、韧性，防止金属液体侵蚀、粘模，有效降低废品率，显著提高模具使用寿命。

参考文献：

[1]吴光明.模具材料与热处理[M].北京：机械工业出版社， 2012.

[2]赵昌盛.实用模具材料应用手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]李奇.模具材料及热处理[M].北京：北京理工大学出版社， 2012.

[4]吴兆祥. 模具材料及表面处理[M].北京：机械工业出版社， 2008.