4Cr5MoSiV钢制压铸模具的表面改性技术

　　国内有色金属压铸模具普遍采用4Cr5MoSiV热作模具钢。所谓热作模具是指对加热至再结晶温度以上的金属或合金进行塑性变形的和对液态的有色金属成型制造零部件的模具。作为有色金属的压铸模具用钢一般应具有下述条件：

　　铝合金压铸模材料（1）具有较高的淬透性，热处理时可采用冷却强度较小的介质和具有较小的热处理变形；

　　（2）具有高的抗热裂性和耐热疲劳抗力，使模具激冷激热不易形成裂纹以及形成的裂纹不易扩展，避免模具失效；

　　（3）具有高的抗热软化能力和抗高温磨损能力，使模具保持一定的高温强度和尺寸稳定性；

　　（4）具有高的抗液态金属的粘焊和化学冲蚀损伤，国内以熔化液态金属的熔损来表征。要达到这些兼具高温强度和高韧度要求，又有较高的高温硬度和抗磨损能力，主要由钢的化学成分决定，一般采用中碳含量（0.35～0.45％）和含Cr、W、Mo和V等合金元素，合金元素总量在6~25%范围。

　　铬和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力，所以该钢在空冷条件下能够淬硬。在6barN2气体真空处理条件下可淬透直径为160mm。但铬的加入会增加碳化物的不均匀程度，致使钢中会出现亚稳定的共晶碳化物，这种碳化物现在国内一般可用高碳铬轴承钢相关标准予以评定。铬含量的提高有利于增加材料的热强度，但对韧度不利。材料中增加钼的量至1％以上时，会使材料500℃以上进行回火时仍获得较高硬度，并具有二次硬化能力。4Cr5MoSiV钢的二次硬化能力不很明显。提高V的含量，如V的量由0.4％提高至1%，使4Cr5MoSiV钢的热强度和热稳定性提高了，同时V也增加水冲洗抗力，实际上是提高水浸磨损抗力。

　　另外，钢中加入M0、V、等形成M6C和MC型碳化物的元素，能对奥氏体晶粒细化，也使溶入奥氏体后在回火过程中产生二次硬化效果。对Cr的加入形成的碳化物为M23C¬6型，其在1100℃奥氏体化时基本上溶解完了，（全部溶入奥氏体的温度是1160℃），这将决定4Cr5MoSiV钢的最佳奥氏体化温度处于1020～1080℃范围内。含Cr热作模具钢的含Si量都在0.80～1.20％转子零件的挤压模具毕业设计，只有4Cr5MoSiV钢含Si量为0.20～0.50％。钢中增加Si的量除了固溶强化影响外，它能改进钢的高温抗氧化能力，直至800℃（1475℉）。但Si于韧度提高。现在4Cr5MoSiV钢的发展正在向低Si高Mo的第二阶段进行，（发展第一阶段是提高4Cr5MoSiV钢的材质和热处理水平）。人们已逐渐认识到低Si的效果主要有：减轻材料的偏析，改善宏观组织均匀程度；减少凝固时液/固界面上成分过冷，改善结晶的微观组织和奥氏体晶粒细化；提高钢的韧度以及抗热裂能力和减低高温疲劳裂纹扩展速度以及高温蠕变裂纹扩展速率；延缓钢的贝氏体转变。

　　4Cr5MoSiV钢的表面改性

　　压铸模具的使用寿命决定于很多因素：模具设计的合，模具材料选择正确性，模具机械加工和热处理工艺的合理正确制订，当然还应涉及模具的使用条件和。其中模具材料的质量和热处理是相当重要的关键因素。热处理应包括整体工件的热处理和工件的表面改性。相关的标准主要有压铸协会标准、法国汽车工业会、钢铁协会、材料协会和压铸协会的标准，还有通用汽车、福特汽车的推荐标准等。对4Cr5MoSiV钢整体热处理和检测十分重要。4Cr5MoSiV钢锻模和铝合金压铸模的表面改性目前主要在以下两个方面：（1）铁素体氮碳共渗和硫氮碳共渗及BRN处理技术。（2）PVD涂层技术。国内外在这两方面进行的研究论文有了发表，但具体工业应用报导不多。专门从事材料表面改性技术的法国HEF集团在一些国际性会议上以论文形式报导了4Cr5MoSiV钢表面改性工业应用的实例，同时艾福表面处理技术（上海）有限公司（HEFShanghai）结合舍福表面处理技术有限公司（TSShanghai）的实践汇同国外的相关文献（尤其是NADCA的专家和CaseWesternReserve大学教授的工作）作一定描述。

　　国内普遍认为，热疲劳发生龟裂损伤和热磨损是热作模具失效的两大主要原因。这方面，国外的相关文献叙述得十分明确：模具的损坏和模具寿命上升的三个机制为：1)液态金属铝的粘焊（soldering）和化学冲蚀损伤。2)磨损和腐蚀。3)热疲劳开裂。其中1)是最重要的失效机制。他们提出采用铁素体氮碳共渗和离子氮化及BRN表面强化处理能显著提高工具钢的模具寿命。国内有关铝熔损的试验指出，冲压毕业设计。当模具材料硬度为45HRC时，未表面处理的铝熔损率高达54.90％时，当采用盐浴硫氮碳共渗，其熔损率仅为0.10％，注塑模设计(5)。当采用盐浴氮碳共渗（软氮化）BRN表面强化处理后，熔损率更明显降低至0.10％。由此可见4Cr5MoSiV钢的表面改性的效果十分明显。