延長(zhǎng)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?jiǎng)P思檢測(cè)服務(wù)有限公司

湯敏僧·浙江杰德機(jī)械科技有限公司

模具制造水平是衡量一個(gè)國(guó)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(guó)的快速發(fā)展，對(duì)模具的需求量持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)模具質(zhì)量及使用壽命的要求也越來(lái)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?，研究和開發(fā)新型模具材料都是必要的。下面以我司實(shí)際生產(chǎn)的壓鑄模具材料為例，分析探討延長(zhǎng)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(jī)加工→檢驗(yàn)→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(cè)要求：缺口沖擊功不小于25J，無(wú)缺口沖擊功不小于350J。

⑷無(wú)損檢測(cè)UT 單個(gè)缺陷當(dāng)量≤1.0mm，不允許有密集缺陷。

⑸晶粒度細(xì)于6 級(jí)。

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(bǔ)縮處后裝入燃?xì)饧訜釥t中，加熱溫度控制在1260℃，保溫24 小時(shí)后開始鍛造，采用兩鐓兩拔工藝進(jìn)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(shí)入退火爐進(jìn)行鍛后熱處理，熱處理加熱溫度采用850℃保溫20 小時(shí)，730℃保溫30 小時(shí)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(jìn)行機(jī)加工，機(jī)加工按照?qǐng)D紙要求加工，加工完成后進(jìn)行UT 檢測(cè)，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(jì)的合理性及使用工況。

針對(duì)新型壓鑄模具材料H68M 進(jìn)行工藝改進(jìn)

⑴按照以往工藝生產(chǎn)的H68M 模具材料在使用壽命上跟國(guó)內(nèi)其他材料相比，沒有明顯提升，我司技術(shù)人員通過對(duì)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤及試驗(yàn)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(jìn)一步提升積累了經(jīng)驗(yàn)。

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

改善措施一

通過成分合理設(shè)計(jì)以達(dá)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(hù)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(jí)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(lái)的材料使用中失效的風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)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?cái)U(kuò)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(xì)化)工藝組合，獲得細(xì)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(xì)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(shí)施，我司所生產(chǎn)的H68M 材料，對(duì)照北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，壓鑄模材料應(yīng)測(cè)試V 型缺口沖擊值，檢驗(yàn)材料的韌性；同時(shí)應(yīng)測(cè)試無(wú)缺口沖擊功，檢驗(yàn)材料的延展性。H68M 對(duì)照Dievar 測(cè)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(duì)材料合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及在生產(chǎn)過程中對(duì)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(jì)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(hào)。

⑵H68M 材料經(jīng)電渣、高溫均質(zhì)化、晶粒細(xì)化處理，采用三次鐓拔強(qiáng)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(dá)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(jià)值。