延長高端壓鑄模具材料使用壽命的工藝研究

文／李海龍，黃佳偉，郭忠昌，劉優(yōu)發(fā)·湖州吉凱思檢測服務(wù)有限公司

湯敏僧·浙江杰德機械科技有限公司

模具制造水平是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志，而模具本身成本高，素有黑色黃金之稱。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是新能源汽車在我國的快速發(fā)展，對模具的需求量持續(xù)擴大，對模具質(zhì)量及使用壽命的要求也越來越高，合理地選擇模具材料、制定正確的熱處理工藝、選擇適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸椒ǎ芯亢烷_發(fā)新型模具材料都是必要的。下面以我司實際生產(chǎn)的壓鑄模具材料為例，分析探討延長模具使用壽命的工藝方法。

壓鑄模具制造

技術(shù)要求

模具材質(zhì)為H68M，規(guī)格為400mm×910mm×(3000 ～5000mm)，生產(chǎn)工藝流程：電渣錠→下料→加熱→鍛造→熱處理→機加工→檢驗→發(fā)貨。

⑴表面硬度要求≤229HBW，單件硬度差≤40HBW。

⑵鍛造比≥5。

⑶性能檢測要求：缺口沖擊功不小于25J，無缺口沖擊功不小于350J。

⑷無損檢測UT 單個缺陷當(dāng)量≤1.0mm，不允許有密集缺陷。

⑸晶粒度細于6 級。

⑹夾雜物要求見表1。

表1 模具材料夾雜物要求

⑺原材料采用電弧爐+精煉+真空脫氣+電渣重熔，化學(xué)成分見表2，[H]≤2.0PPm，[O]≤25PPm，[N]=70 ～170PPm。

表2 模具材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

生產(chǎn)過程

⑴采用12.5t 電渣錠去除引錠板和補縮處后裝入燃氣加熱爐中，加熱溫度控制在1260℃，保溫24 小時后開始鍛造，采用兩鐓兩拔工藝進行鍛造，鍛造比大于6，見圖1。

圖1 鍛造過程

⑵鍛后采用風(fēng)冷控制，控制在400℃左右后及時入退火爐進行鍛后熱處理，熱處理加熱溫度采用850℃保溫20 小時，730℃保溫30 小時后加熱爐以小于30℃/h 冷卻，爐溫小于450℃后出爐。

⑶熱處理后進行機加工，機加工按照圖紙要求加工，加工完成后進行UT 檢測，合格后發(fā)貨。

影響壓鑄模具使用壽命的主要因素

⑴材料內(nèi)部的純凈度。

⑵材料制作工藝選擇的合理性。

⑶壓鑄模具設(shè)計的合理性及使用工況。

針對新型壓鑄模具材料H68M 進行工藝改進

⑴按照以往工藝生產(chǎn)的H68M 模具材料在使用壽命上跟國內(nèi)其他材料相比，沒有明顯提升，我司技術(shù)人員通過對原材料冶煉環(huán)節(jié)、鍛造工藝控制環(huán)節(jié)及熱處理控制環(huán)節(jié)進行現(xiàn)場跟蹤及試驗分析，獲取如圖2、圖3、圖4 所示的純凈度、組織、晶粒度信息，為下一步控制材料使用壽命的進一步提升積累了經(jīng)驗。

圖2 H68M 材料純凈度高倍照片

圖3 H68M 材料鍛后熱處理組織

圖4 H68M 材料鍛后熱處理的晶粒度

針對以上大量的試驗數(shù)據(jù)，我們技術(shù)研究人員進行分析并針對冶煉、鍛造、鍛后熱處理進行了如下工藝改善。

改善措施一

通過成分合理設(shè)計以達到理想的基體合金組織，改善后的化學(xué)成分見表3。

表3 調(diào)整后的H68M 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

改善措施二

使用潔凈廢鋼、合金作為原料，通過LF 精煉，真空脫氣，保護氣氛電渣一系列有效手段降低鋼中雜質(zhì)元素、有害氣體含量和夾雜物級別數(shù)量，獲得純凈的鍛造母料，在冶煉環(huán)節(jié)控制由此帶來的材料使用中失效的風(fēng)險，材料純凈度可控制到表4 水平，夾雜物高倍圖片見圖5。

表4 調(diào)整后的金相高倍檢測數(shù)據(jù)

圖5 改善后的純凈度高倍圖片

改善措施三

加熱過程中通過1280℃的高溫擴散，鍛造過程采用三鐓三拔工藝控制和十字鐓粗法，控制最后一火的變形量大于30%，多向大壓縮比鍛造和EFS(超細化)工藝組合，獲得細化的晶粒和均勻的退火組織，從而使加工后的模具在工況調(diào)質(zhì)處理后仍能保證細化均勻良好的熱處理組織，為模具的使用打下良好的基礎(chǔ)，調(diào)整后的組織圖片見圖6，晶粒度圖片見圖7。

圖6 改善后的組織圖片

圖7 改善后的晶粒度圖片

以上措施的實施，我司所生產(chǎn)的H68M 材料，對照北美壓鑄協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，壓鑄模材料應(yīng)測試V 型缺口沖擊值，檢驗材料的韌性；同時應(yīng)測試無缺口沖擊功，檢驗材料的延展性。H68M 對照Dievar 測試要求，得出調(diào)質(zhì)至44 ～46HRC 工況硬度下沖擊值，見表5。

表5 調(diào)質(zhì)至44 ～46HRC 工況硬度下H68M 材料沖擊值

我們通過對材料合金成分的優(yōu)化設(shè)計，以及在生產(chǎn)過程中對配料、冶煉、電渣、鍛造、鍛后熱處理各工序的嚴(yán)格控制，使H68M 材料具備高淬透性、高紅硬性、高韌性和高延展性等全方位的優(yōu)異表現(xiàn)。

結(jié)論

⑴H68M 材料經(jīng)過成分設(shè)計調(diào)整，使其成為高淬透性、高紅硬性、高韌性和高延展性的熱作模具鋼材料牌號。

⑵H68M 材料經(jīng)電渣、高溫均質(zhì)化、晶粒細化處理，采用三次鐓拔強力鍛造使其超過客戶的預(yù)期要求，客戶合同訂單要求10000 模的壽命，目前經(jīng)過改善可達到20000 模以上的使用壽命，大大降低了模具的使用成本，為客戶創(chuàng)造了價值。