热作模具钢在使用中的常见问题及解决措施

热作模具钢在使用中的常见问题及解决措施
压铸模具生产对于大量复杂，高韧性的铝、锌、镁、铜合金零件的生产提供了一种经济的生产方式。压铸生产的不断发展，很大程度上取决于汽车工业中压铸件的大量使用，在汽车工业中，减轻汽车的重量显得越来越重要。在长期的生产中，人们都把焦点放在怎样延长模具寿命方面。
在过去的十年中，ASSAB公司在发展压铸模具钢来满足这种要求方面起了主导作用，开发了VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME。压铸模使用商通过使用这些优质的模具钢材及与之紧密相联的热处理工艺，在生产和模具使用成本方面中受益。人们已经认识到良好的产品设计，模具设计及压铸生产条件的日益改善，能进一步提高生产效率。
一设计方面
⒈冷却水道
冷却水道应处于使整个模腔表面温度尽可能均匀的位置，从冷却和力学角度看，管道表面需光滑。
⒉流道、浇口及溢流
要得到最佳的压铸效果，冷却系统必须和“热区”（流道、浇口、溢流和型腔）有一定的热平衡。因此，流道、浇口和溢流设计相当重要。在型腔内很难填满的部位，应设溢流，以使压铸金属流到这些部位。在具有相同尺寸的一模多型腔模具中，所有的流道必须具有相同的流道长度和横截面积，浇口和溢流也必须完全相同。
浇口的位置和流道的厚度及宽度对金属注入速度相当关键，流道的设计应使金属流畅地进入型腔各个部分，而不是喷射状的注入，浇注金属过快流动会引起模具侵蚀。
二模具制造
压铸模具的制造，热作模具钢的以下性能要求至关重要：
★机械加工性 ★电火花加工 ★热处理 ★尺寸稳定性 ★表面处理 ★可焊补性
⒈机械加工性
马氏体系的热作工具港的机械加工性主要受像硫化锰等非金属夹杂物及钢材硬度的影响。因为压模的性能可以通过降低钢材中杂质含量而得到改善，如硫和氧，因此发展了具有极低硫和氧含量的VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME。
切削加工的最佳组织是球化退火的铁素体基体上均匀分布着球化状的良好碳化物，这样使钢材有极低的硬度。均质化处理使VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME有硬度约180HB的均匀组织。这些钢种每一批都具有非常均匀的机械加工性。对于VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME的车削，铣削和钻孔等。常用的机械加工参数可以在产品资料中查阅，每一批都具有非常均匀的机械加工性，对于VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME的车削、铣削和钻孔等。常用的机械加工参数量可以在产品资料中查阅。
⒉电火花加工
今年来，制造压铸模具已普遍采用电火花加工（EDM）。电火花加工的发展一方面扩展了这种
方法的通用性，同时也显著的提高了操作技术，生产力和加工精度，电火花加工继续发展成为大多数制模公司的一个主要的加工方法，可同样容易的加工经济淬硬或退火的钢材。
电火花加工的基本原理是在石磨或铜电极（阳极）和钢材（阴极）之间的不导电介质中放电，模具的侵蚀通过放电来控制，操作过程中，负电极进入钢材中获得所需形状，电火花加工中钢材的表面温度非常高，从而使其熔化和蒸发，在表面产生了一层熔化后再凝固的较脆层，紧接着这层的是再淬硬层和回火层。电火花加工对模具表面性能产生了不利的影响，破坏了钢材的加工性能，由于这个原因，作为一种预防措施，推荐一下几步加工方式：
⒊淬火和回火后钢材的电火花加工
A 传统的机械加工
B 淬火和回火
C 粗放电加工避免“电弧”和太快的除去率，“幼电火花加工”即低电流高频率
D 研磨和抛光电火花层
E 比原来回火温度低15℃回火
⒋钢材退火后的电火花加工
A 传统的机械加工
B 粗放电加工，同上C
C 研磨和抛光电火花层，这减少了加热和淬火时间开裂的危险，多次分级预热到淬火温度。
⒌热处理
热作工具钢通常是以软性退火状态供货。在机械加工后，为了得到最佳的高温屈服强度，抗回火性，韧性和延展性，必须进行热处理。钢材的性能受淬火温度和时间，冷却速度和回火温度控制。
高奥氏体化温度对模具的热屈服强度和抗软化有利的影响，可以降低热龟裂的产生。8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME的性能可用1050℃的奥氏体化温度取代正常的1020℃来提高，而VIDAR SUPREME用1010℃取代990℃。
另一方面，由于晶粒变粗和淬火时晶界碳化物析出的增加而降低了韧性和延展性，这能导致严重的破裂，所以这种方法应限于小型模具和型芯的热处理。 高硬度对抗热龟裂性具有有利的影响，但是对铝压铸模推荐硬度不宜超过HRC48，铜不超过HRC44，硬度越高，破裂和完全失效的危险越大，然而，通过发展高韧性的VIDAR SUPREME和8407 SUPREME，失效的危险性已大大下降。淬火冷却速度对VIDAR SUPREME、8407 SUPREME、QRO 90 SUPREME和所有其他同样类型钢种有很大影响。
缓慢的冷却速度得到好的尺寸稳定性，但使钢材有得到不良显微组织转变的风险。
淬火时太慢的冷却速度能降低钢材的破坏韧性。快的冷却速度如盐羽淬火能产生最好组织，因而得到最高的模具寿命。
权衡模具淬火变形和寿命，在大多数情况下，优先考虑模具的使用寿命而采取较快的淬火冷却速度。
脱碳和渗碳可以引起早期热龟裂，模具应冷却至50—70℃后回火，要得到满意的组织，第二次回火是必不可少的，第二次回火温度应根据模具所需的最终使用硬度而决定。
⒍尺寸稳定性
压铸模在淬火和回火时的情形
压铸模淬火和回火时，通常会出现变形或扭曲，温度越高变形越大。
在淬火前，通常要预留一定加工量以便淬火及回火后通过研磨等工序来调整模具到最后要求的尺寸。
变形是由于钢材中的应力引起，这些应力可分成：
2 机械加工应力
2 热应力
2 组织转变应力
机械加工应力
此类应力产生于机械加工，如车削加工、铣削加工、研磨加工，如果存在内部应力，它会在加热时释放。
加热使材料强度下降，从而通过局部变形来释放应力，这能导致模具整体变形，为了减少热处理时加热产生的变形，需要一个消除应力的过程，一般推荐在粗加工后进行应力消除，在淬火前任何变形都能在精加工时加以调整。
热应力
模具加热时产生了应力，加热越快越不均匀，应力就越大。
模具尺寸加热时会增加，不均匀的加热会引起不同部位尺寸的不一致增加，从而产生应力和变形，为了使整块模具温度均匀通常推荐多段预热。应尽量缓慢加热以使整个模具温度保持一致。
以上情况对淬火冷却也适用。淬火时会产生非常大的应力，一般而言，在可接受的变形范围内，冷却应越快越好。
淬火介质的均匀性非常重要，尤其在使用压缩空气或保护气氛时（如在真空炉内）。
否则，模具温度的不一致会产生明显的变形，通常也推荐分级淬火。
组织转变应力
当钢材组织转变时这类应力会产生，这是因为三种显微组织铁素体、奥氏体和马氏体有不同的密度，即是“体积”。
从奥氏体转变成马氏体的变化最大，这引起了尺寸的增加。
过度快速和不均匀的淬火也会导致局部马氏体形成，从而引起模具中局部体积增大，而在某些截面上产生应力，这些应力会导致变形，甚至破裂。
⒎表面处理
经气体氮化、软氮化和离子氮化等表面处理能使压铸模某些零件产生有利作用，如射筒、喷嘴、流道、浇道、推杆和芯棒。不同化学成分的钢材有不同的氮化特性。
其他表面处理包括Solvenite，Metallife和Melonite的渗金属碲镍处理也可用于压铸模。
⒏焊补性
许多情况下，通过焊补来修理压铸模非常重要。工具钢的焊补总带有破裂的危险，但是如果小心而适当加热的话，也可得到好的效果。
焊补前准备
被焊的部位必须适当的开U型槽沟，并避免脏物和油脂以确保金属的顺利渗透和融合。
⑴退火后焊接
①预热到至少350℃
②在此温度开始焊接，使工件温度保持在350～475℃，焊接时保持工件温度恒温的最好方法是用一个热控元件置于绝热箱的箱壁内
③焊接后马上退火
⑵淬火和回火后的焊接
①预热到至少320℃
②在此温度开始焊接，使工件温度保持在350～475℃，焊接时保持工件温度恒温的最好方法是用一个热控元件置于绝热箱的箱壁内
③焊补后以20～30℃每小时至50～70℃每小时的速度缓慢冷却
④在低于前回火温度10～20℃的温度做应力回火。
三模具寿命
压铸模具寿命会随着压铸模的设计和尺寸、压铸合金类型，模具的维修和保养而发生很大变化。
模具可以通过压铸前后适当的处理来延长寿命：
★适当的预热 ★正确的冷却 ★表面处理 ★应力消除
⒈适当的预热
冷模具和热的压铸金属间最初的接触会引起模具严重的热冲击应力，热龟裂可能就在第一次压铸时出现并迅速扩展导致整体破裂。
所以，最重要的模具表面和熔融金属间的温度不能太大，由于这一原因，通常推荐预热，预热温度随压铸合金类型而定，通常在150～350℃。
模具压铸时，推荐以下预热温度：
材料                      预热温度，℃
锡合金、铅合金        100～150
锌合金                     150～200
镁合金                     250～300
铜合金                     300～350
逐步而均匀的预热很重要，最好是恒温的加热控制系统。
预热时，为了达到平衡，应逐步打开冷却水，要避免所有的骤然冷却。有镶块的模具必须缓慢加热以便使镶块和模托保持一致温度及逐步膨胀。
⒉正确的冷却
模具温度受冷水道和模具表面脱模剂的控制。为了减少热龟裂的危险性，冷却水可预热到大约50℃，也推荐用恒温控制的冷却系统，并不推荐使用低于20℃的冷却水。
停机时间超过几分钟时，应调节冷水流量，以便模具不至于冷却得太快。
有一点非常重要，即润滑剂（脱模剂）要非常好得附于模具表面以避免压铸金属与模具得接触，例如一个新得或刚修补得模具不应有粗糙得金属表面，因此在试模期有一层氧化薄膜会提供给脱模剂一个良好得附着面亦不失为一个好方法。
⒊表面处理
模具表面加热到500℃左右一小时然后空冷就可氧化。在蒸汽气氛中加热到500℃约30分钟也可以，形成具有恰当厚度得一层良好氧化膜，在使用一段时间后，要去除模具上堆积得脱模剂，可在模腔表面进行喷丸处理，这种处理也可密闭一些热龟裂得裂纹。
喷丸处理会在模腔表层产生压应力，这一定程度上抵消了引起热龟裂得拉应力。受摩擦得一些零件如推杆和射筒，可以通过氮化、碳氮渗来提高寿命。
⒋消除应力
压铸时，模具表面由于温差而产生热应变，这种反复得应变会导致模具局部表面得残留应力产生，在大多数情况下，这种残留应力是拉应力，因此促使热龟裂的发生，消除应力处理会使模具残留拉应力下降，因此能提高模具寿命，所以我们建议在试模一段时间后进行消除应力处理，然后在压铸1000～2000模次，5000～10000模次后分别进行消除应力处理。
这种处理可以在以后每隔10000～20000模次重复一次，以致模具出现少量龟裂，因为表面龟裂的形成会降低残留应力，因此在较严重龟裂产生后再去除应力就没有太大的意义。去应力处理的温度最好定模具热处理最高回火温度以下25℃左右，正常情况下，在此温度保温2小时。
四压铸对模具钢材的要求
压铸模受严重热高温和机械循环负荷，这种负荷直接提高对压铸模材料的要求。因此有许多因素限制了模具寿命。
最重要的是：
★热疲劳（热龟裂） ★侵蚀/腐蚀 ★破裂（整体破裂） ★凹陷
压铸合金工作温度对压铸模具寿命影响非常大。对某种特定合金的压铸模，由于压铸件的设计，表面光洁度，生产速度，压铸时过程控制，模具设计，模具材料及其热处理，加工公差范围等也会很大程度上改变模具寿命。
⒈热疲劳
热疲劳由于许多次温度循环，产生的热应力造成的逐渐破裂，它是发生于模具表面薄层的一种微表面层现象。
压铸时模具受冷热变化，从而在模具表层产生严重应变，逐渐导致热疲劳裂纹。典型的热疲劳损坏是被称为“热龟裂”的一种表面破裂，在一下图中作了很好描述。
在近十五年，人们花了很大精力来了解热疲劳过程以及材料性能和热疲劳的关系，正由于此，Uddeholm公司建立了一套模仿热疲劳破坏的装置，目的是为了改善和发展模具材料，目前已发展了优质工具钢VIDAR SUPREME，8407 SUPREME和QRO 90 SUPREME。
影响热疲劳的因素
热疲劳裂纹是由热循环应力，拉应力和塑性应变等多种因素组合在一起形成的，如果以上因素中任何一个不存在的话，热疲劳既不会产生也不会扩展。塑性应变使裂纹出现，而拉应力使裂纹扩展。
下列因素影响热疲劳
♦模具温度因素
•预热温度 •模具表面温度 •模具高温保持时间 •冷却速度
♦基本的模具材料性能
热膨胀系数；热传导系数；高温屈服强度；抗回火性；蠕变强度；延展性
2 应力集中部位
圆角、孔和尖角
粗糙表面
模具温度循环
⑴预热温度
最重要的是表面和金属溶液的温差不能太大。因此，模具需要预热，预热温度不低于150℃，
因为钢材在此温度的断裂韧性是室温时的两倍。
⑵模具表面温度
模具表层温度和热疲劳的出现密切相关，温度达600℃时，热膨胀和应力正好是热作钢所能承受的，但是温度再高会明显的产生热龟裂危险，模具表面温度主要取决于预热温度、金属压铸温度、压铸产品设计、模具形状和尺寸，模具材料的高温性能。
⑶高温保持时间
较长的高温保持时间增加，模具有过度回火和蠕变的危险，这就意味着钢材的机械强度下降和相应的抗热负荷和机械负荷能力下降。
⑷冷却速度
表面冷却速度相当重要，较快的冷却会产生较大应力，从而导致早期裂纹，冷却剂的选择通常从模具寿命和生产率两方面综合考虑，但大多数生产商由于环保问题把冷却剂从油性冷却剂改成水性冷却剂。
⑸基本的模具材料性能
①热膨胀系数
低的热膨胀系数意味着较小的膨胀体积，亦即较低的热应力累积。
②热传导性
高的热传导性降低了热温差，从而降低了热应力，在实验中很难预测和研究什么样一个程度的热传导性会影响到热应力。
③高温屈服强度
高的高温屈服强度有利于对抗热龟裂。
④抗回火能力
如果钢材最初具有的高温屈服强度，会在高温状态长时间使用而降低，这就意味着热龟裂破坏会加速，因此模具材料有良好的长时间高温抗软化性能显得非常重要。
⑤蠕变强度
和抗回火性相关的软化会因机械负荷的作用而明显加速。模具材料同时处于高温和机械负荷状态，因此一种好的模具材料应具备高温下抗机械负荷作用的能力，此能力可以数字化以高温蠕变强度表示。事实上，通过实验已证明恒温和循环机械负荷也会产生热龟裂。
⑥延展性
延展性是钢材抵抗塑性变形而不产生裂纹的能力以数字化表示。钢材在特定的高温屈服强度及温度循环下，延展性的好坏是主宰钢材在最初的热疲劳破坏中产生可见裂纹的因素。延展性对裂纹扩展的影响逐渐减少。
材料的延展性主要取决于夹杂物和偏析即钢的纯度和均匀性。因此Uddeholm公司的压铸模具钢就是一种特殊的方法来处理。通过特殊的熔炼和精炼技术，控制锻造的方法，特殊的细微化热处理，已使钢材的延展性大大改善，特别是大块材料的中心部位也大大改善。
五推荐的高品质高性能热作模具钢
瑞典一胜百模具钢8407（ORVAR SUPREME）、8402(ORVAR 2M)、8418(DIEVAR)、HOTVAR、QRO-90；日本大同模具钢DHA1(JIS SKD61)、DH31-SUPER、DH2F；日本日立模具钢DAC(JIS SKD61)、DAC55；德国葛利兹模具钢1.2343、1.2344、1.2367等。