福建省大立通用机电制造有限公司
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化油器铜合金压铸模的选材及热处理工艺
针对化油器铜合金压铸模具的材质问题，通过4Cr3Mo3MnVNbB材料的力学性能试验及其复合强化工艺的分析，文章指出，化油器铜合金压铸模具推广应用4Cr3Mo3MnVNbB电渣钢，并采用复合强化处理工艺具有明显效果。
金属压铸成形是少或无切削的先进特种铸造工艺，材料利用率高达90-95%，可铸造出形状复杂和低粗糙度的薄壁精密铸件。而铜合金压铸模的质量和寿命却制约了特种铸造工艺发展。据统计，其主要失效形式比例为热疲劳龟裂占8O-90%，熔损和冲蚀占5-1O%，塑性变形占5-10%。国内铜合金压铸模寿命为工业发达国家的1／8～1／10。对此，我们必须大力发展和选用压铸模新钢种并采用新技术。试验表明，化油器铜合金压铸模选用4Cr3Mo3MnVNbB电渣重熔钢，采用复合强化处理新工艺，其使用寿命比原电炉钢常规处理提高5～6倍。
1铜合金压铸模失效分析
1．1热疲劳龟裂
当约1000～l100℃熔融铜舍金注入压铸模，产生流动铜液与型腔间的热传导。因焖模时间长，型腔瞬时温度高达650℃，甚至更高。在金属凝固过程中，铸件与型腔间的热传导及铸件与型腔间分别由辐射和对流产生的冷却，导致型腔表层温度高，内层温度低，型腔内外层产生温度梯度。表层膨胀，硬度和强度急剧降低。金属表层产生较大拉应力，内层金属为压缩应力。当应力大于该材料强度极限时，便在型面最敏感区域产生热疲劳龟裂，并逐渐扩展形成独立分割网状龟裂。
1．2熔损和冲蚀
压铸时，当1000-1100℃熔融铜液在高温、高压和高速冲击型腔而产生多种应力，在应力交变反复作用下导致点蚀、麻坑。机械冲蚀主要是磨蚀和气蚀。磨蚀是因铜台金含有不均匀相熔融铜合金流过型面引起。气蚀是因熔融铜气泡逸出和型面化学成分变化，出现最不耐蚀的屈氏体组织及型面氧化脱碳或铜液粘着型面引起。
1．3型腔塑性变形
模坯未经改锻和预处理不充分，粗大的原始组织和严重偏析及块状、链状、堆集状碳化物保留在淬火组织中。淬火加热温度偏低，奥氏体合金化程度不足，导致淬火、回火后高温强度、红硬性、热稳定性不足，及回火不充分、回火温度过高、型面硬度过低(HRC≤35)上述热处理组织性能缺陷导致服役时型腔在外力和高温作用下发生塑性变形失效。依据服役条件．铜合金压铸模应具有在550℃高温下不发生相变．保持足够高温屈服强度、高温硬度、热稳定性、热磨损抗力和抗熔损及抗冲蚀等性能。
2选材和改锻工艺
电渣重熔4Cr3Mo3MnVNbB钢纯洁度高，杂质少，化学成分均匀，热加工性能优良，冶金缺陷少，晶粒细密，组织均匀。它含有Cr、Mo、V、Nb等多种碳化物形成元素和含有B、Nb特种功能元素。Cr可细化晶粒，增加钢的强韧性、耐磨性、抗蚀性和抗氧化等性能。Mo可细化晶粒，提高热强性、淬透性、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、弹性极限，防止二类回火脆性。V可细化晶粒，强化铁素体，提高滚透性淬硬性、耐磨性、耐蚀性和圊火稳定性，防止二类圆火脆性，降低过热敏感性。Nb以微量元素加人钢中，可提高室温冲击韧性一倍抗拉强度2O-25、扭转强度1O-l5、断裂韧性1O-15。Nb与N有极强亲和力，形成稳定的NbN，改善热加工性能，减少锻造变形抗力，细化晶粒，合金碳化物较易球化，改善基体强韧性。B在钢中可溶于Fe内形成间隙式和置换式固熔体，能与Fe、C、N等元素形成化舍物。B元素溶人钢中使C一曲线右移，增加奥氏体稳定性、淬透性和高温强度。B加入量投小，仅0．001-0．003，因B含量超过规定上限易形成Fe23(C、B)6脆性相，沿奥氏体晶界呈网状析出，将急剧降低钢的整体力学性能。因此，必须严加控制B元素的加入量。
电渣钢锭虽经开坯轧制，合金碳化物有一定程度细化和均匀化，但因钢锭较大，心部碳化物往往沿轧制方向呈带状和网状分布，钢性能有明显方向性因此，必须对铜合金压铸模具材料钢坯进行改锻，不仅可获得所需锻坯形状尺寸，更主要的是可改善合金碳化物形貌，充分细化使之≤3级，并使锻造纤维组织围绕型腔分布，使钢的纵向和横向性能基本一致。锻坯低温入炉，二级预热，缓慢升温一级预热500-600℃，保温1-2h；二级预热800-900℃，保温2-3min／mm，再缓慢升温至1l4O～l170℃加热温度，保温1．5～2min／mm。坯料充分保温后出炉锻造。始锻温度lO5O-l120"C，轻锤慢打，反复镦拔和延伸，避免重击、连击、大锻造比和大变形量。因坯料尺寸较大，越锻越红，温度升高，基体心部热量散发不出，产生“热效应”，出现心部组织过热、过烧导致锻裂。中间温度1000-l050℃是锻造最佳时机，材料塑性好，变形抗力小，不易过热，宜重击、连击、加大锻遣比，加大变形量，反复双十字形镦拔，尽量锻透，改善心部组织，击碎碳化物使之均匀分布。接近终锻温度1000-950℃，温度低，塑性差，变形抗力大，应轻锤慢打，少变形，少锻造比，以镦粗、滚嗣和倒棱为主，经四镦四拔双十字形锻造，达到所需组织性能。最后一火锻造成形后返回炉中加热至113O～1160℃，保温后油淬，锻热固溶淬火，促使碳化杨和合金元素充分溶人奥氏体中，油淬后进行(730±1O)℃×2h高温回火。在回火冷却过程中促使合金碳化物高度弥散析出．获得均匀细密回火索氏体组织，硬度HB220～250。锻热固熔调质预处理代替锻后球化退火，既节电节时，简化工序，又有良好冷切削加工性能和理想的最终谇火预处理组织。
3热处理工艺
3．1材料力学性能试验
对4Cr3Mo3MnVNbB电渣钢进行了回火温度与硬度关系的试验、回火稳定性试验、热稳定性试验和高温硬度的试验。
3．2化油器铜合金压铸模复合强化处理工艺复合强化处理新工艺如图所示，其工艺分析如下：
3．2．1．双重谇火
最终淬火之前的锻热调质固熔顶处理能有效消除钢中因锻后球化退火形成的链状碳化物，锻热固溶淬火加热温度高，使钢中难溶解的合金碳化物和基体心都未完全击碎的内层组织中的带状、网状及大颗粒状碳化物残余较充分地溶人奥氏体中。溶入奥氏体中的一次和二次碳化物在固熔淬火时来不及析出，链状碳化物被消除。在随后的高温回火冷却过程中，碳化物呈细、小、匀弥散析出，均匀分布于钢基体中，大大降低链状碳化物对基体的切割作用，避免在使用状态中发生应力集中，消除热疲劳源，为后续处理提供理想的处理组织。
3．2．2最终淬火加热温度选择
实验表明，提高二次淬火加热温度可增加高温强度、抗疲劳强度、高温硬度、耐磨性、热稳定性和抗断裂韧性。经双重淬火，抗断裂韧性增加约60-8O，抵消了因晶粒长大而降低的室温冲击韧性而足足有余。压铸模受冲击力不大，提高高温性能和抗断裂韧性(K)值更重要。为此，选用113O±10℃淬火加热温度，在盐浴炉中加热，既可使合金碳化物和合金元素较充分溶解到奥氏体中，使之充分合金化，又可保留较多的难溶解的VC、NbC成为过剩碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，达到9．5-10．5级。V、Nb碳化物的合成，消耗钢中一定的含碳量，降低钢基体含碳量。淬火较易得到高密度位错板条马氏体和韧性高的少量薄膜状分布在板条马氏体之间的残余奥氏体，松驰应力，起到韧带作用。为此，晶粒虽较粗但仍可保持强韧性。油淬后冷至约15O-200℃(以模面只冒烟，不燃烧为准)，转入300士10℃电炉中预回火2h，促使基体心部过冷奥氏体发生等油转变为强韧性高的下贝氏体组织，同时使表层马氏体得到初步回火，消除部分淬火应力，达到微变形淬火。
3．2．3多次高温回火
压铸模预回火保温后随炉升温至64O-66O℃x2h次高温回火。第二次回火不必进行预回火，以充分消除淬火应力，充分回火，提高抗断裂韧性值，稳定组织，稳定尺寸，得到均匀细密回火索氏体组织，具有优良综合力学性能和高强韧性基体，达到所需的硬度HR43-45和良好的高温性能。
32．4RE(稀土)一S—C—N—B四元共渗
RE(稀土)催渗四元共渗可大幅度提高铜合金压铸模型面表层的硬度、耐磨性、抗蚀性、抗疲劳、抗粘结、抗剥落和抗擦伤等性能。
共渗温度65O-660℃，保温4-5h，在45kw密封滴注井式炉中进行。共渗剂配方：1500mlCH3OH+500gCO(NH2)2+2gH3BO3+3g(NH2)CS+40mlHCONH2，另加40-60d／minRE滴剂(将0.5纯RE溶解于甲醇制成RE催渗滴剂)。
上述化学反应产生的活性[C]、[S]、[N]、[B]原子渗入钢表面并向金属内部扩散，形成四元共渗层。最表面形成FeS、Fe3BO3；厚约2～3µm，质软易滑动，降低摩擦系数，使铜液与型面隔开，避免粘附和腐蚀，改善了抗粘结磨损，保护型面浸蚀。四元共渗次表层厚约8．5-10µm，是具有高硬度(Hv1000～1200)、高红硬性的C、N、B原子化合物层，主要由Fe(C、N、B)、Fe2(C、N、B)、Fe3N和ε相组成。再往内是含C、N、B马氏体硬化扩散层，厚约O．4～O．50mm。基体分布着大量碳化硼合金化合物弥散颗粒、饱和氮化物等弥散强化相，硬度Hv859～950。化合物层、扩散层、过渡层与基体结合牢固．抗剥落性强。表硬内韧赋予汽车化油器锕合金压铸模高寿命。
金属压铸成形是少或无切削的先进特种铸造工艺，材料利用率高达90-95%，可铸造出形状复杂和低粗糙度的薄壁精密铸件。而铜合金压铸模的质量和寿命却制约了特种铸造工艺发展。据统计，其主要失效形式比例为热疲劳龟裂占8O-90%，熔损和冲蚀占5-1O%，塑性变形占5-10%。国内铜合金压铸模寿命为工业发达国家的1／8～1／10。对此，我们必须大力发展和选用压铸模新钢种并采用新技术。试验表明，化油器铜合金压铸模选用4Cr3Mo3MnVNbB电渣重熔钢，采用复合强化处理新工艺，其使用寿命比原电炉钢常规处理提高5～6倍。
1铜合金压铸模失效分析
1．1热疲劳龟裂
当约1000～l100℃熔融铜舍金注入压铸模，产生流动铜液与型腔间的热传导。因焖模时间长，型腔瞬时温度高达650℃，甚至更高。在金属凝固过程中，铸件与型腔间的热传导及铸件与型腔间分别由辐射和对流产生的冷却，导致型腔表层温度高，内层温度低，型腔内外层产生温度梯度。表层膨胀，硬度和强度急剧降低。金属表层产生较大拉应力，内层金属为压缩应力。当应力大于该材料强度极限时，便在型面最敏感区域产生热疲劳龟裂，并逐渐扩展形成独立分割网状龟裂。
1．2熔损和冲蚀
压铸时，当1000-1100℃熔融铜液在高温、高压和高速冲击型腔而产生多种应力，在应力交变反复作用下导致点蚀、麻坑。机械冲蚀主要是磨蚀和气蚀。磨蚀是因铜台金含有不均匀相熔融铜合金流过型面引起。气蚀是因熔融铜气泡逸出和型面化学成分变化，出现最不耐蚀的屈氏体组织及型面氧化脱碳或铜液粘着型面引起。
1．3型腔塑性变形
模坯未经改锻和预处理不充分，粗大的原始组织和严重偏析及块状、链状、堆集状碳化物保留在淬火组织中。淬火加热温度偏低，奥氏体合金化程度不足，导致淬火、回火后高温强度、红硬性、热稳定性不足，及回火不充分、回火温度过高、型面硬度过低(HRC≤35)上述热处理组织性能缺陷导致服役时型腔在外力和高温作用下发生塑性变形失效。依据服役条件．铜合金压铸模应具有在550℃高温下不发生相变．保持足够高温屈服强度、高温硬度、热稳定性、热磨损抗力和抗熔损及抗冲蚀等性能。
2选材和改锻工艺
电渣重熔4Cr3Mo3MnVNbB钢纯洁度高，杂质少，化学成分均匀，热加工性能优良，冶金缺陷少，晶粒细密，组织均匀。它含有Cr、Mo、V、Nb等多种碳化物形成元素和含有B、Nb特种功能元素。Cr可细化晶粒，增加钢的强韧性、耐磨性、抗蚀性和抗氧化等性能。Mo可细化晶粒，提高热强性、淬透性、耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、弹性极限，防止二类回火脆性。V可细化晶粒，强化铁素体，提高滚透性淬硬性、耐磨性、耐蚀性和圊火稳定性，防止二类圆火脆性，降低过热敏感性。Nb以微量元素加人钢中，可提高室温冲击韧性一倍抗拉强度2O-25、扭转强度1O-l5、断裂韧性1O-15。Nb与N有极强亲和力，形成稳定的NbN，改善热加工性能，减少锻造变形抗力，细化晶粒，合金碳化物较易球化，改善基体强韧性。B在钢中可溶于Fe内形成间隙式和置换式固熔体，能与Fe、C、N等元素形成化舍物。B元素溶人钢中使C一曲线右移，增加奥氏体稳定性、淬透性和高温强度。B加入量投小，仅0．001-0．003，因B含量超过规定上限易形成Fe23(C、B)6脆性相，沿奥氏体晶界呈网状析出，将急剧降低钢的整体力学性能。因此，必须严加控制B元素的加入量。
电渣钢锭虽经开坯轧制，合金碳化物有一定程度细化和均匀化，但因钢锭较大，心部碳化物往往沿轧制方向呈带状和网状分布，钢性能有明显方向性因此，必须对铜合金压铸模具材料钢坯进行改锻，不仅可获得所需锻坯形状尺寸，更主要的是可改善合金碳化物形貌，充分细化使之≤3级，并使锻造纤维组织围绕型腔分布，使钢的纵向和横向性能基本一致。锻坯低温入炉，二级预热，缓慢升温一级预热500-600℃，保温1-2h；二级预热800-900℃，保温2-3min／mm，再缓慢升温至1l4O～l170℃加热温度，保温1．5～2min／mm。坯料充分保温后出炉锻造。始锻温度lO5O-l120"C，轻锤慢打，反复镦拔和延伸，避免重击、连击、大锻造比和大变形量。因坯料尺寸较大，越锻越红，温度升高，基体心部热量散发不出，产生“热效应”，出现心部组织过热、过烧导致锻裂。中间温度1000-l050℃是锻造最佳时机，材料塑性好，变形抗力小，不易过热，宜重击、连击、加大锻遣比，加大变形量，反复双十字形镦拔，尽量锻透，改善心部组织，击碎碳化物使之均匀分布。接近终锻温度1000-950℃，温度低，塑性差，变形抗力大，应轻锤慢打，少变形，少锻造比，以镦粗、滚嗣和倒棱为主，经四镦四拔双十字形锻造，达到所需组织性能。最后一火锻造成形后返回炉中加热至113O～1160℃，保温后油淬，锻热固溶淬火，促使碳化杨和合金元素充分溶人奥氏体中，油淬后进行(730±1O)℃×2h高温回火。在回火冷却过程中促使合金碳化物高度弥散析出．获得均匀细密回火索氏体组织，硬度HB220～250。锻热固熔调质预处理代替锻后球化退火，既节电节时，简化工序，又有良好冷切削加工性能和理想的最终谇火预处理组织。
3热处理工艺
3．1材料力学性能试验
对4Cr3Mo3MnVNbB电渣钢进行了回火温度与硬度关系的试验、回火稳定性试验、热稳定性试验和高温硬度的试验。
3．2化油器铜合金压铸模复合强化处理工艺复合强化处理新工艺如图所示，其工艺分析如下：
3．2．1．双重谇火
最终淬火之前的锻热调质固熔顶处理能有效消除钢中因锻后球化退火形成的链状碳化物，锻热固溶淬火加热温度高，使钢中难溶解的合金碳化物和基体心都未完全击碎的内层组织中的带状、网状及大颗粒状碳化物残余较充分地溶人奥氏体中。溶入奥氏体中的一次和二次碳化物在固熔淬火时来不及析出，链状碳化物被消除。在随后的高温回火冷却过程中，碳化物呈细、小、匀弥散析出，均匀分布于钢基体中，大大降低链状碳化物对基体的切割作用，避免在使用状态中发生应力集中，消除热疲劳源，为后续处理提供理想的处理组织。
3．2．2最终淬火加热温度选择
实验表明，提高二次淬火加热温度可增加高温强度、抗疲劳强度、高温硬度、耐磨性、热稳定性和抗断裂韧性。经双重淬火，抗断裂韧性增加约60-8O，抵消了因晶粒长大而降低的室温冲击韧性而足足有余。压铸模受冲击力不大，提高高温性能和抗断裂韧性(K)值更重要。为此，选用113O±10℃淬火加热温度，在盐浴炉中加热，既可使合金碳化物和合金元素较充分溶解到奥氏体中，使之充分合金化，又可保留较多的难溶解的VC、NbC成为过剩碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，达到9．5-10．5级。V、Nb碳化物的合成，消耗钢中一定的含碳量，降低钢基体含碳量。淬火较易得到高密度位错板条马氏体和韧性高的少量薄膜状分布在板条马氏体之间的残余奥氏体，松驰应力，起到韧带作用。为此，晶粒虽较粗但仍可保持强韧性。油淬后冷至约15O-200℃(以模面只冒烟，不燃烧为准)，转入300士10℃电炉中预回火2h，促使基体心部过冷奥氏体发生等油转变为强韧性高的下贝氏体组织，同时使表层马氏体得到初步回火，消除部分淬火应力，达到微变形淬火。
3．2．3多次高温回火
压铸模预回火保温后随炉升温至64O-66O℃x2h次高温回火。第二次回火不必进行预回火，以充分消除淬火应力，充分回火，提高抗断裂韧性值，稳定组织，稳定尺寸，得到均匀细密回火索氏体组织，具有优良综合力学性能和高强韧性基体，达到所需的硬度HR43-45和良好的高温性能。
32．4RE(稀土)一S—C—N—B四元共渗
RE(稀土)催渗四元共渗可大幅度提高铜合金压铸模型面表层的硬度、耐磨性、抗蚀性、抗疲劳、抗粘结、抗剥落和抗擦伤等性能。
共渗温度65O-660℃，保温4-5h，在45kw密封滴注井式炉中进行。共渗剂配方：1500mlCH3OH+500gCO(NH2)2+2gH3BO3+3g(NH2)CS+40mlHCONH2，另加40-60d／minRE滴剂(将0.5纯RE溶解于甲醇制成RE催渗滴剂)。
上述化学反应产生的活性[C]、[S]、[N]、[B]原子渗入钢表面并向金属内部扩散，形成四元共渗层。最表面形成FeS、Fe3BO3；厚约2～3µm，质软易滑动，降低摩擦系数，使铜液与型面隔开，避免粘附和腐蚀，改善了抗粘结磨损，保护型面浸蚀。四元共渗次表层厚约8．5-10µm，是具有高硬度(Hv1000～1200)、高红硬性的C、N、B原子化合物层，主要由Fe(C、N、B)、Fe2(C、N、B)、Fe3N和ε相组成。再往内是含C、N、B马氏体硬化扩散层，厚约O．4～O．50mm。基体分布着大量碳化硼合金化合物弥散颗粒、饱和氮化物等弥散强化相，硬度Hv859～950。化合物层、扩散层、过渡层与基体结合牢固．抗剥落性强。表硬内韧赋予汽车化油器锕合金压铸模高寿命。
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时间：2018-08-23 00:00:00
