隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國模具制造業(yè)也取 得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。壓鑄模具是利用高速壓力，將 熔融或半熔融的金屬注入壓鑄模具型腔內(nèi)成形金屬半 成品或成品的一種模具㈣。在壓鑄模具工作的過程中， 模具需要承受復(fù)雜多變的機(jī)械沖擊和冷熱交替的溫差 作用，同時(shí)在金屬的充型過程中，模具內(nèi)腔還會(huì)受到 熱沖擊和磨損[3-71。由于反復(fù)的冷熱循環(huán)熱沖擊，使得 模具型腔表面組織發(fā)生了變化，隨著使用時(shí)間的延長， 會(huì)使模具內(nèi)腔出現(xiàn)坍塌、裂紋以及磨損等缺陷，當(dāng)缺 陷進(jìn)一步發(fā)展時(shí)會(huì)使模具失效㈨Ol。目前，國內(nèi)外應(yīng)用 較多的壓鑄模具鋼有H13、QR045、QRO 80M、 BHl0A以及CrN等，我國常用來進(jìn)行鋁合金壓鑄用模 具鋼有4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiVl(H13)、 4Cr5M02MnSiVl(Y10)、3Cr3M03VNd(HM3)和 3Cr2W8V等陽。這些鋼在使用過程中以 4Cr5M02MnSiVl(YIO)模具鋼表現(xiàn)最優(yōu)異，它是一 種新型鋁合金壓鑄用模具鋼。總體而言，目前的鋁合 金壓鑄用模具鋼在使用過程中失效的主要形式為熱疲 勞破壞、嚴(yán)重脆性開裂、磨損和坍塌等剛0]。

　　為了進(jìn)一步提高鋁合金壓鑄用模具鋼的壽命，開 發(fā)新型鋁合金壓鑄用模具鋼，對于模具制造企業(yè)乃至 用戶效益的提高均具有重要意義。因而，本研究以鋁 合金壓鑄用模具鋼為研究對象，通過添加不同合金元 素，制備了新型鋁合金壓鑄用模具鋼，探討了不同熱 處理工藝對模具鋼性能的影響，為壓鑄模具的選用提 供了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　1 試驗(yàn)材料及方法

　　試驗(yàn)過程中，通過調(diào)整Cr、Mo以及V等合金元素 的添加量，設(shè)計(jì)和制備新型壓鑄用模具鋼組成，并進(jìn) 行熔煉制備。設(shè)計(jì)的壓鑄模具鋼化學(xué)組成如表1所示。 試驗(yàn)過程中，采用中頻感應(yīng)電爐不氧化法熔煉試驗(yàn)?zāi)?具鋼，在熔煉過程中，當(dāng)鋼液溫度達(dá)到1 500℃左右 時(shí)，進(jìn)行脫氧處理，脫氧處理后再采用沖人法對鋼液 進(jìn)行孕育變質(zhì)處理，最后澆注成試樣。澆注完的試樣 在750℃左右進(jìn)行退火處理后，利用機(jī)械加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。熱處理溫度分別為960、980、1 000、1 020、 1 040℃，采用機(jī)油進(jìn)行淬火，淬火保溫時(shí)間均為 40 min；淬火完成后，再對試樣進(jìn)行回火處理，回火 處理溫度為500℃，回火介質(zhì)為空氣，回火保溫時(shí)間 為2 h。耐鋁合金熱熔損試驗(yàn)采用高溫浸泡法，先將鋁 合金加熱到一定溫度熔融，再將模具鋼試樣浸泡在鋁 合金液中，試驗(yàn)溫度為780℃，浸泡時(shí)間分別為1、2、 3、4、5 h。摩擦磨損試驗(yàn)采用HT．500銷盤式摩擦試驗(yàn) 機(jī)在室溫下進(jìn)行，載荷為100 N，滑動(dòng)速度為0．8 m／s， 時(shí)問為15 min，磨損率的計(jì)算公式為：K=V／(Nxd)，式 中，y為磨損體積(磨損失重Am／銷試樣密度p)，N為 載荷，d為滑行距離。最后，將熱處理后的樣品按照國 家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 397—2009，GB／T 228—2010，GB／T 229— 2007，GB／T 1818—1994進(jìn)行制樣和試驗(yàn)，測定熱處理 后熱作模具樣品的力學(xué)性能，試驗(yàn)設(shè)備為SWD一100電 子萬能試驗(yàn)機(jī)。JB一50沖擊試驗(yàn)機(jī)以及HR50型洛氏硬 度計(jì)，高溫硬度利用AKA高溫硬度計(jì)進(jìn)行測試。最后， 對最佳樣品斷面采用JSM．35型掃描電鏡進(jìn)行觀察分析。

　　2 結(jié)果分析與討論

　　2．1 熱處理對模具鋼強(qiáng)度和韌性的影響

　　圖1是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的鋁合金壓鑄用熱作模具鋼在不同淬火溫度下淬火+500℃回火處理后模具鋼樣品抗拉強(qiáng) 度和沖擊韌性隨淬火溫度變化曲線。結(jié)合表1模具鋼的 化學(xué)成分，從圖1a模具鋼樣品的抗拉強(qiáng)度變化曲線可 以發(fā)現(xiàn)，隨Mo、V以及Cr合金元素添加量的增加，模 具鋼樣品的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢。隨淬火溫度的升 高，模具鋼樣品的抗拉強(qiáng)度值呈現(xiàn)先增加，后略有下 降趨勢。對應(yīng)的，從圖1b模具鋼樣品的沖擊韌性變化 曲線中可以發(fā)現(xiàn)，隨Mo、V以及cr合金元素添加量的 增加，模具鋼樣品的沖擊韌性呈逐漸下降趨勢。隨淬 火溫度的升高，模具鋼樣品的沖擊韌性值與對應(yīng)的抗 拉強(qiáng)度值呈相反的趨勢。圖1a和圖1b顯示，當(dāng)淬火溫 度為1 000℃時(shí)，Al和A2模具鋼樣品的抗拉強(qiáng)度值最 大，分別為1 627．4 MPa和1 642．5 MPa，而對應(yīng)的沖擊 功分別為8．9 J和8．6 J。從中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)淬火溫度 為1 020℃時(shí)，A3模具鋼樣品的抗拉強(qiáng)度值最大，為 1 712．5 MPa，而對應(yīng)的沖擊功為7．9 J。分析原因可知， 當(dāng)淬火溫度較低時(shí)，模具鋼樣品中的金相中奧氏體不 能充分均勻化，且碳化物在基體中的固溶不充分，導(dǎo) 致模具鋼組織不均勻，因而對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值較低。 當(dāng)淬火溫度達(dá)到一定程度，如A1和A2在1 000℃，A3 在1 020℃時(shí)，模具鋼樣品中板條狀馬氏體數(shù)量逐漸增 加，組織變得均勻，因而對應(yīng)的模具鋼試樣的抗拉強(qiáng) 度均增加。當(dāng)淬火溫度過高時(shí)，由于內(nèi)部擴(kuò)散加快， 組織內(nèi)部出現(xiàn)部分晶粒長大粗化，從而使得對應(yīng)的抗 拉強(qiáng)度值下降；同時(shí)，由于合金元素在基體中的溶人 降低了馬氏體的I臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，當(dāng)淬火溫度較高時(shí)，室 溫下存在的殘余奧氏體數(shù)量隨之增加，對應(yīng)的沖擊功 提高。

　　2．2熱處理對模具鋼硬度的影響

　　圖2是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的三組模具鋼試樣在不同淬火溫度 下淬火后，再經(jīng)500℃回火處理后對應(yīng)的硬度值隨淬 火溫度的變化曲線。結(jié)合表1模具鋼的化學(xué)組成，從圖 2中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模具鋼中Mo、V以及cr合金元素添加 量的增加時(shí)，相同淬火溫度下，模具鋼樣品的硬度值 呈現(xiàn)依次增加趨勢。隨淬火溫度的升高，模具鋼試樣 的硬度值呈現(xiàn)先增加，后略有下降趨勢，這與對應(yīng)的 模具鋼樣品抗拉強(qiáng)度值變化趨勢相同。當(dāng)淬火溫度為 960℃時(shí)，A1至A3模具鋼樣品的硬度值分別為 HRC 47．65、HRC 48．62以及HRC 50．12。隨淬火溫度的 升高，A1和A2模具鋼樣品的硬度值均在淬火溫度為 1 000℃時(shí)達(dá)到最大，A3模具鋼樣品的硬度值在淬火 溫度為1 020℃時(shí)達(dá)到最大，為HRC 52．83。當(dāng)淬火溫度為1 040℃時(shí)，A1、A2以及A3模具鋼樣品的硬度值 均有所下降，分別為HRC 48．32、HRC 48．95以及 HRC 52．15。分析可知，隨淬火溫度的升高，各模具鋼 試樣基體中溶解的碳化物越來越多，另一方面基體中 的合金元素硬化作用更加明顯，因而硬度值出現(xiàn)增加。 當(dāng)淬火溫度超過一定值后，由于內(nèi)部擴(kuò)散加快，組織 內(nèi)部出現(xiàn)部分晶粒長大粗化；另一方面，由于合金元 素的在基體中的溶人降低了馬氏體的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，當(dāng) 淬火溫度較高時(shí)，室溫下存在的殘余奧氏體數(shù)量隨之 增加，從而使得模具鋼樣品硬度值下降。

　　2．3合金元素對模具鋼耐鋁熱熔損的影響

　　對于鋁合金壓鑄模具來說，模具的耐熱熔損性能 與澆鑄的鋁合金熔體狀態(tài)密切相關(guān)，因而對于模具鋼 的耐鋁熱熔損性能測試至關(guān)重要。試驗(yàn)選取的模具鋼 樣品為A1(1 000℃淬火+500℃回火)、A2(1 000℃ 淬火+500℃回火)以及A3(1 020℃淬火+500℃回 火)，試驗(yàn)溫度為780℃。結(jié)合表1模具鋼的化學(xué)組成 可以發(fā)現(xiàn)，在相同的熱浸漬時(shí)間下，隨合金元素Mo、 v以及cr元素添加量的增加，模具鋼單位面積熔損率 逐漸變小。隨鋁合金熔體浸漬時(shí)間的延長，模具鋼的 熔損率均增加。當(dāng)在鋁合金熔體中浸漬試驗(yàn)1 h時(shí)， A1、A2以及A3模具鋼樣品的熔損率值分別為12．5 g／dm2、 8．5 g／dm2以及5．7 g／dm2；隨試驗(yàn)時(shí)間的延長，當(dāng)在鋁合 金熔體中浸漬試驗(yàn)5 h時(shí)，A1、A2以及A3模具鋼樣品 的熔損率值分別為19．4 g／am2、13．6 g／din2以及9．8 g／am2。 圖3中顯示，A3模具鋼試樣具有最佳的耐鋁熱熔損性 能。分析可知，在A3模具鋼中由于添加了最多Mo、V 以及Cr合金元素，其中Cr元素在低溫下具有較好的耐 熱性能，因而，添加量較高時(shí)，其耐熱熔損性能較好。

　　2．4模具鋼耐磨損性能分析

　　由于壓鑄用熱作模具鋼工作過程中通常需要承受 擠壓和沖刷，因而，對于模具鋼的耐磨損性能測試顯 得必不可少。圖4是試驗(yàn)選取的模具鋼樣品為A1 (1 000℃淬火+500℃回火)、A2(1 000℃淬火+500℃ 回火)以及A3(1 020℃淬火+500℃回火)經(jīng)過摩擦 磨損試驗(yàn)后結(jié)果。其中，圖4a是A1、A2以及A3模具鋼 樣品的磨損率測試結(jié)果，圖4b是A3模具鋼試樣磨損試 驗(yàn)后表面XRD分析結(jié)果。對于壓鑄模具來說，模具在 使用過程中，模具型腔承受著強(qiáng)烈的機(jī)械壓力和冷熱 交替變化作用，這造成模具表面要承受較大的熱沖擊， 周期的交變應(yīng)力造成壓鑄模具表面出現(xiàn)熱裂紋，最終 擴(kuò)展使模具失效。從圖4a中可見，A3模具鋼試樣具有 最佳的耐磨性能，主要是因?yàn)锳3模具鋼中cr元素含量 最高，而Cr元素通常是一種抗氧化合金元素，在摩擦 過程中會(huì)優(yōu)先促進(jìn)模具鋼表面形成氧化膜，且氧化膜 非常致密，與基體結(jié)合緊密，因而對模具鋼基體具有 良好的保護(hù)作用。圖4b中顯示，摩擦過程中表面主要 形成的氧化物為Fe：O，和Fe，O。，能對基體形成良好的保 護(hù)。

　　2．5模具鋼顯微結(jié)構(gòu)分析

　　圖5是A3模具鋼樣品在1 020℃淬火和500℃回火 后樣品微觀組織形貌。圖5中顯示，A3模具鋼樣品組 織中以板條狀的馬氏體為主，同時(shí)也存在少量的粒狀 碳化物和殘余奧氏體。結(jié)合圖1和圖2分析可知，當(dāng)淬 火溫度較低時(shí)，經(jīng)過熱處理后的模具鋼組織中碳化物 未充分固溶，且奧氏體均勻化不充分。隨著淬火溫度 的進(jìn)一步升高，模具鋼基體中的粒狀碳化物充分固溶， M，C發(fā)生溶解，同時(shí)其內(nèi)部的針狀馬氏體組織逐漸轉(zhuǎn) 化為板條狀組織；當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 020。C時(shí)，模具鋼 組織中的碳化物主要是富含合金元素的M。C以及MC， 而此類碳化物穩(wěn)定性較好，這使模具鋼性能得到提高。

　　3 結(jié)論

　　(1)以Mo、V以及cr為主要合金化元素，研究了 熱處理工藝對模具鋼性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明A3樣 品為最佳樣品，當(dāng)在1 020℃淬火40 min+500℃回火2 h 時(shí)樣品性能最佳，此時(shí)所制備的模具鋼抗拉強(qiáng)度為1 712．5 MPa，沖擊功為7．9 J，硬度值為HRC52．83。

　　(2)研究了模具鋼的耐鋁熱熔損性能和摩擦磨損 性能，結(jié)果顯示A3模具鋼試樣具有最佳的耐鋁熱熔損 性能和耐磨損性能，合金元素的加入，特別是cr元素 的加入可以提高模具鋼耐熱熔損性能，同時(shí)促進(jìn)在摩 擦過程中形成致密氧化膜。

　　(3)最佳模具鋼樣品的組織以板條狀馬氏體為 主，同時(shí)存在少量的粒狀碳化物和殘余奧氏體。