国外压铸技术:大型结构件压铸模用TQ1-热作模具钢

科技   汽车   2024-11-22 15:56   广东  



                               


 





      大型压铸模具必须具有较高的冲击韧性,因为模具镶件越大,应力分布通常就会越复杂。


      全球压铸业目前正面临着重大的技术挑战。一是对压铸部件表面质量的要求越来越严苛,二是对结构部件的综合性能要求越来越高。这两种趋势均意味着,在这一领域,广泛使用的1.2343或1.2344型热作模具钢正日益达到其技术极限。针对这些市场趋势,Kind&Co开发出了具有特殊性能的优质热作模具钢。CS1钢适用于铸造表面质量要求极高的压铸件的模具。TQ1钢适用于大型结构件模具。


大型压铸结构件

      减少对环境有害排放的趋势,促使汽车行业在轻质结构方面做出了大量努力。在压铸领域,由轻质金属制成的结构件发挥了重要作用。它们不仅取代了许多原本由冲压钢板制成的构件,而且还将众多功能直接集成到了一个铸件中。压铸减震塔是压铸结构件中的经典之作,以前仅被用于高价位轿车中。如今被大量安装于中等价位的汽车上,促进了压铸结构件的广泛应用。

      压铸纵梁和横梁是轻质金属制成的大型结构件。车身底部零件的发展开辟了新的领域,这些零件包括车轮拱罩等相邻零件,它们可以在一个铸件中构成半个车辆底部。这一趋势最初是由一家美国制造商发起,目前正在被中国许多制造商采用。电动汽车支持这一发展,因为重量是影响电动汽车续航里程的重要因素。

使用的铸造合金

      目前已开发出了用于结构件的特殊铝合金,即使不进行后续热处理,也能实现其使用性能(表1)。

      与广泛使用的合金226相比,表中所列合金的铁含量明显较低,而且可以在更高的温度范围内铸造。由于铝能溶解铁,铝合金中铁含量的降低会增加对模具钢的化学侵蚀性。这也是许多铝合金容易粘附在铸件上的原因。铸造温度的升高则增加了每次铸造过程中模具的热负荷。

优质热作模具钢

      TQ1钢基于最高纯度原则,采用电渣重熔工艺(ESU)生产而成。这使得铬钼钒合金热作模具钢具有极高的均匀性和纯度。TQ1钢的抗回火性能(即钢材的抗意外软化性能)与人们熟知的1.2344钢(图1)不相上下。

热稳定性

      压铸模具用热作模具工具钢的另一个重要特性在于其热稳定性。在试验温度不断升高的拉伸试验中测定的屈服强度Rp0.2可被作为衡量标准。在图2所示的对比中,所有样品都经过淬火和回火至45HRC,然后在不断升高的温度条件下进行测试。在图表对比中,压铸模具表面暴露的温度范围(至少短暂暴露)在每次压射时均以灰色标出。很明显,与1.2343和1.2344相比,优质钢TQ1在测试温度超过300℃时的热稳定性越来越高。这使其具有更强的抗裂纹能力,在较高温度条件下尤其如此。



冲击韧性

      大型压铸模具尤其需要具有高冲击韧性的热作模具钢,因为模具镶件越大,应力条件往往就会越复杂。此外,大型结构件还具有弯曲或高差变化等典型特征。图3比较了ISOV型缺口冲击弯曲试验中TQ1的典型冲击能量值与硬度为45HRC时1.2343和1.2344的通常测量值。这些数值是根据北美压铸协会的规范(NADCA#207-2022),在锻造棒芯部位的横向样本上测定的。与1.2343和1.2344钢相比,TQ1的韧性潜力明显更高。

抗热裂性

      图2和图3示出的是,与标准钢材1.2343和1.2344相比,TQ1具有更高的热稳定性和缺口冲击韧性。在这两种性能的相互作用下,其对于铸造过程中模具表面发生的温度变化表现出了极高的抗性。


硬度

      在确定模具镶件的硬度时,始终需牢记的一点是,钢材的韧性会随着硬度的降低而增加。但是,与此同时,热稳定性、抗裂纹能力和抗热震能力也会随着硬度的降低而降低。


      为了获得良好的韧性,模具镶件的硬度往往会远低于常见45HRC的值。例如,由钢材1.2343或1.2344制成的大批量模具镶件的硬度范围在41至43HRC之间。这种硬度的下降会不可避免地牺牲热稳定性和抗热震性。由于TQ1的韧性比钢材1.2343高出大约25%,因此在使用TQ1制成大型模具镶件时,不必大幅降低硬度。因此,由TQ1制成的大型压铸模具的韧性比钢材1.2343和1.2344更好,同时抗热震性也显著提高。这在产品质量和模具使用寿命方面都有优势。

热处理组织

      TQ1在淬火过程中的转变行为不同于标准钢材,但同样具有优势。淬火的目的是使钢材尽可能地从奥氏体状态转变为马氏体状态。这种转变需要有最低冷却速度。但是,如果达不到这一最低冷却速度,至少会在中间阶段发生部分转变(贝氏体)。然而,回火马氏体的微观结构更有利于获得高韧性,这是因为,在回火过程中,回火中间阶段微观结构几乎不会获得任何韧性。回到大型压铸模具的热处理上,这意味着,在边缘区域进行充分淬火后,钢材1.2343和1.2344以及TQ1钢材都会发生马氏体转变,从而形成足够韧性的基础。然而,进一步深入模具型芯的内部则无法实现快速淬火。


      由于只有钢材的导热性决定了冷却速度,因此,随着边缘距离的增加,模具中不尽人意的阶段间微观结构的比例也会增加。从压铸模具的边缘到型芯,韧性会发生不可避免的下降。

      时间-温度转变图中示出了钢材的特定组织转变行为。图4示出了钢材1.2343和TQ1的对比图,从而清楚地说明了TQ1比钢材1.2343更迟开始非期望的中间阶段转变过程。对于大型模具镶件的热处理而言,这意味着,TQ1在马氏体阶段有更多的转化时间。因此,在TQ1制成的大型模具镶件的型芯中,马氏体的比例可调整为高于钢材1.2343制成的相应模具的马氏体比例。因此,由TQ1制成的大型模具具有更大的韧性潜力。

      与钢材1.2343和1.2344相比,TQ1具有良好的韧性水平和更高的导热性,因此,这也是尤其建议将TQ1用于使用微喷的根本原因。

总结

       汽车中使用的结构件变得越来越大,对于模具制造商、压铸商和合适的热作模具钢制造商而言,面临的挑战更大了。为此类产品专门开发的铸造材料流道长、铸造温度高,因此,导致模具的机械应力和热应力大大增加。借助TQ1,Kind&Co(凯德)公司提供了一种特别的优质热作模具,其具有高热稳定性、高缺口韧性以及抗热震性强等性能特点。凭借其特殊的热处理组织转变行为,可以实现最为苛刻材料条件下的可靠调整,因此,这种优质热作模具尤其适用于大型模具。TQ1已被列入NADCA规范#207-2022,并且已经在全球许多国家的大型结构件中得到了验证。


   
   作者:INGOLFSCHRUFF


                                  



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