课程设计压铸模具热处理工艺.docx
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课程设计压铸模具热处理工艺
课程设计
课程课程设计
题目压铸模具热处理工艺
院系机械科学与工程学院材料系
专业班级金属材料工程07-2班
学生姓名
学生学号
指导教师
2010年7月
课程设计任务书
课程课程设计
题目压铸模具热处理工艺
主要内容、基本要求、主要参考资料等
对压铸模具进行工况分析，包括环境介质、温度、受力分析等，确定压铸模具的主要失效形式、分析失效原因以及压铸模具正常工作应满足的性能要求。
根据性能要求，初步选定三种以上符合要求的材料，结合工艺性和经济性对所选材料进行综合分析，确定最佳材料。
根据最佳材料确定压铸模具尺寸及热处理工艺，画出工艺流程并制作工艺卡片，确定组织检验方法。
完成课程设计报告一份，字数不少于6000字。
翻译相关外文资料若干，字数不少于3000汉字。
主要参考资料：
1、毕凤琴、张旭昀编.热处理原理及工艺.石油工业出版社，2009
2、《热处理手册》编委会.热处理手册（第3版）.机械工业出版社，2002
3、崔忠圻.金属学与热处理.机械工业出版社，2003
4、中国知网、万方数据、维普信息资源、EI、ISTP、Springer、EBSCO 等资料。
完成期限2010.7.24-2010.8.1
指导教师
专业负责人
2010年7月20日
目录
一、引言1
二、设计任务1
三、工况分析1
四、失效分析及性能要求2
（一）压铸模具的失效分析2
（二）性能要求4
五、选材及优化4
（一）5CrMnMo4
（二）4Cr5MoSiV4
（三）4Cr5MoSiV14
（四）3Cr2W8V5
（五）优化5
六、确定尺寸和热处理工艺5
（一）热处理工艺6
（二）组织及热处理工艺分析9
七、工艺流程及工艺卡片9
八、成品检验10
（一）硬度检验10
（二）金相检验10
结论10
参考文献11
一、引言
压铸模具是将液态或半液态金属以极高的速度填充模具型腔，并在压力作用下凝固而获得压铸件的模具。
它的基本工艺过程是：
金属液先低速或高速铸造充型进模具的型腔内，模具有活动的型腔面，它随着金属液的冷却过程加压锻造，既消除毛坯的缩孔缩松缺陷，也使毛坯的内部组织达到锻态的破碎晶粒，获得具有一定寿命、机械性能的模具型腔。
压铸模具是模具中的一个大类。
随着我国汽车、摩托车工业的迅速发展，压铸行业迎来了发展的新时期。
同时，也对压铸模具的综合力学性能、寿命等提出了更高的要求。
要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型模具材料的应用仍然很难满足，必须将各种热处理技术应用到压铸模具的制造当中才能达到对压铸模具高效率、高精度和高寿命的要求。
二、设计任务
对压铸模具的工作环境和工作条件（包括压铸合金与模具的相互作用、压铸温度、压铸速度、模具受力情况等）进行分析，以确定压铸模具的主要失效形式，并分析模具的失效原因，据此确定压铸模具正常工作应满足的性能要求。
根据压铸模具材料的性能要求，初步选定三种以上符合要求的材料，结合材料的性能、工艺性和经济性对所选材料进行综合分析，确定最佳材料。
根据最佳材料确定压铸模具的尺寸和热处理工艺，画出工艺流程并制作工艺卡片，以及确定组织检验方法。
三、工况分析
压铸区别于其它铸造方法的主要特点是高压和高速。
1.金属液是在压力下填充型腔的，并在更高的压力下结晶凝固，常见的压力为15～100MPa。
2.金属液以高速充填型腔，通常在10～50米/秒，有的还可超过80米/秒，（通过内浇口导入型腔的线速度—内浇口速度），因此金属液的充型时间极短，约0.01～0.2秒（须视铸件的大小而不同）内即可填满型腔。
由于压铸是使熔融金属在高压、高速下充满模具型腔而压铸成型，在工作过程中反复与炽热金属接触，工作条件非常恶劣。
尽管定模型腔的光洁度打得很光，因型腔较深，仍出现粘在定模上的现象。
金属液的充型时间极短，金属液的比压和流速很高，这对压铸模来说工作条件极其恶劣，再加上激冷激热的交变应力的冲击作用，都对模具的使用寿命有很大影响。
在生产压铸件的过程中，型腔表面除了受到高压高速的金属液冲洗外，还吸收金属在凝固过程中释放的热量，产生热交换。
模具材料因热传导的关系，使型腔表面层温度剧烈上升，与内部产生很大的温度梯度，从而产生内应力。
金属液填充型腔时，型腔表层首先达到高温而膨胀，而内层模温较低，相对的膨胀较小，使用权表层产生压应力。
当开模后，型腔表面与空气接触，受到压缩空气及涂料的激冷而产生拉应力。
这种交变应力随着压铸次数的增加而增大，当超过模具材料的疲劳极限时，表面层即产生塑性变形，并在晶界处产生裂纹。
以铝压铸模为例，铝的熔点为580～740℃，使用时，铝液温度控制在650～720℃。
在不对模具预热的情况下压铸，型腔表面温度由室温直升至液温，型腔表面承受极大的拉应力。
开模顶件时，型腔表面承受极大的压应力。
数千次的压铸后，模具表面便产生龟裂等缺陷。
四、失效分析及性能要求
（一）压铸模具的失效分析
1.热疲劳裂纹
热疲劳裂纹是压铸模最常见的失效形式，占压铸模失效的60％～70％。
由于压铸过程中压铸模反复经受急冷、急热所造成的热应力，导致在压铸模型腔表面或内部热应力集中处逐渐产生微裂纹，其形貌多数呈现网状，又称龟裂，也有呈放射状（如图1所示）。
这些在压铸模表面浅层中的微裂纹，一般可以修复掉，如果热疲劳裂纹深入基体内部，修模会导致压铸模尺寸超差，或者由于压铸过程中循环次数的增加，热应力使热疲劳裂纹继续扩展成宏观裂纹，从而导致压铸模的失效。
热疲劳裂纹是热循环应力、拉伸应力和塑性应变共同作用而产生的。
塑性应变促进裂纹的形成，拉伸应力促进裂纹的扩展与延伸。
折线特性裂纹和夹杂物裂纹分枝
图1模具裂纹
2.整体脆性开裂
整体脆性开裂是由于偶然的机械过载或热过载而导致压铸模灾难性断裂。
材料断裂时所达到的应力值一般都远低于材料的理论强度，由于微裂纹的存在，受力后将引起应力集中，使裂纹尖端处的应力比平均应力高得多。
压铸模脆性开裂引起的原因很多，诸如压铸操作失常引起的机械过载、热冲击，压铸模设计不合理产生应力集中等等。
材料的塑韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。
模具钢中夹杂物的减少，韧性将明显提高。
在实际生产中，整体脆断的情况较少发生。
3.溶蚀或冲蚀
熔融的金属液以高压、高速进入型腔，对压铸模成形零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀，高温使压铸模硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损（如图2所示）。
此外在填充过程中，高温金属液中杂质和熔渣对压铸模成形表面会产生复杂的化学作用，产生化学腐蚀，熔融金属液逸出气泡使型腔发生气蚀，这些机械和化学磨损综合作用的结果都在加速表面的腐蚀和裂纹的产生。
提高压铸模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。
一般位置的冲蚀坑浇口所对位置的冲蚀左图的放大图冲蚀坑放大图
图2模具冲蚀
表1为国内压铸模具的失效形式统计。
表1国内铝压铸模具失效形式统计表
失效形式
热疲劳
开裂、崩
变形
其他
比列（%）
60～70
15～25
5～15
＜5
（二）性能要求
根据对模具是失效的分析，对模具用钢的性能提出以下要求：
1.高的红硬性、高温耐磨性、高的抗氧化性、高的热强性；
2.高的淬透性和导热性；
3.高的韧性、疲劳抗力，以及良好的脱模性。
五、选材及优化
（一）5CrMnMo
5CrMnMo钢是热作模具钢，由于钢中含有钼，因而对回火脆性并不敏感。
从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧性仅稍有降低。
该钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性，但淬透性，耐热疲劳性稍差。
此钢适于制作要求具有较高强度和高耐磨性的各种类型模具。
（二）4Cr5MoSiV
4Cr5MoSiV属于中耐热性热作模具钢，是空淬硬化热作模具钢，系引进美国的H11钢。
具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，其性能和使用寿命比3Cr2W8V钢高。
适用于作铝合金压铸模、热挤压模、压力机锻模、高速精锻模等；亦被用作飞机、火箭等耐热400～500℃工作温度的结构零件。
（三）4Cr5MoSiV1
4Cr5MoSiV1（H13）钢属于中耐热性热作模具钢，具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹；且抗粘结力强，与熔融金属相互作用小，淬透性好，由于含Mo，抑制了第2类回火脆性，因此广泛应用于热微锻、热挤压和铝、铜及其合金的压铸模的制造。
性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同，但因其钒含量高一些，故中温（600℃）性能比4Cr5MoSiV钢要好，是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号。
（四）3Cr2W8V
3Cr2W8V钢属于高耐热性热作模具钢。
含碳量较低，可保证钢的高韧性和良好的导热性。
其中Cr含量适中,增加了淬透性和耐蚀性。
含W量较多,细化晶粒，使钢回火稳定性提高，并在回火过程中出现二次硬化现象，使钢具有较高的红硬性，提高硬度和耐磨性，W还能提高耐蚀性。
少量的V可细化晶粒。
3Cr2W8V钢具有一定的淬透性，钢材断面尺寸在80mm以下时可以淬透，相变温度较高，耐冷疲劳性能良好。
回火抗力较高,在热处理中脱碳和变形倾向性较小，在高温下具有较高的强度和硬度，在650℃时硬度仍可达到300HBS，但韧性和塑性较差。
（五）优化
模具材料应选用冷热疲劳抗力、断裂韧性、热稳定性高的热作模具钢。
结合以上分析，5CrMnMo钢淬透性、耐热疲劳性稍差，故不予选用。
3Cr2W8V钢虽然高温下仍具有较高的强度和硬度，但其工艺性能不好，导热性差，线膨胀系数高，工作中易产生很大得热应力，导致模具产生龟裂甚至破裂，并且加热时易脱碳，降低模具抗磨损性能。
而4Cr5MoSiV钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，其性能和使用寿命比3Cr2W8V钢，可以考虑选用。
4Cr5MoSiV1钢与4Cr5MoSiV钢性能基本相似，但前者者中温（600℃）性能比后者要好，因此，最终选用4Cr5MoSiV1钢。
4Cr5MoSiV1钢不容易产生疲劳裂纹，即使出现疲劳裂纹也细而短，不容易扩展，而且抗粘结力强，与熔融金属相互作用较小，从而保证压铸件能获得较好的外观质量，同时该钢也具有较高的热硬性。
4Cr5MoSiV1钢作为一种马氏体型热作模具钢，具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，中等的抗回火软化能力和耐熔损性等综合性能，属中耐热韧性钢，是一种比较理想的热作模具用钢。
采用4Cr5MoSiV1钢时使用寿命要比3Cr2W8V钢提高0.5～1倍。
钨钼等耐热合金虽然即脆又有缺口敏感性，但导热性好，对需要冷却而又不能设置水道的厚压铸件的压铸模有良好的适应性。
因此，在合理的热处理工艺下，4Cr5MoSiV1钢仍具有满意的使用性能，所以4Cr5MoSiV1钢是压铸模用钢的最佳选择。
六、确定尺寸和热处理工艺
（一）热处理工艺
由于压铸模的工作环境恶劣，因此压铸模成型部位（动定模镶块、型芯等）及浇注系统使用的热模钢必须进行热处理，为保证热处理质量，避免出现畸变、开裂、脱碳、氧化和腐蚀等疵病，可在盐溶炉，保护气氛炉装箱保护加热或在真空炉中进行热处理，尤其是在高压缩冷真空炉中淬火质量最好。
淬火前应进行一次除应力退火处理，以消除加工时残留的应力，减少淬火时的变形程度用开裂危险。
淬火加热宜采用两次预热然后加热到规定温度，保温一段时间，然后油淬或气淬。
模具零件淬火后即进行回火，以免开裂，回火次数2～3次。
压铸铝、镁合金用的模具硬度为43～48HRC最适宜。
为防止粘模，可在淬火处理后进行软氮化处理。
压铸铜合金的压铸模硬度宜取低些，一般不超过44HRC。
1.钢坯锻造后的球化退火
为保证压铸模内部组织致密，碳化物及流线分布合理，消
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