2024年4月27日发(作者:萨展鹏)
W360模具钢在发动机缸体铸造的应用
摘要:发动机缸体属于汽车发动机关键零部件,具有结构复杂和精度高的特
点。目前本田系列的缸体生产方式,采用的是高压铝合金压铸成型:将熔融的铝
合金(铝液)快速压入到高压模具中,并在高压下凝固成型。铸销是高压模具内
部关键零件,其一端插入至模具型腔内,铝液压铸成型后,形成发动机缸体的孔
洞。由于铝液具有温度高的特点(约700℃),以及成型过程中对铸销表面的压
力冲蚀、磨损和腐蚀,高压模具铸销极易产生粘铝和断裂故障。为了延长铸销的
使用寿命,降低模具故障,有必要探索新的模具钢原材料应用在压铸模具铸销上。
关键词:发动机缸体;高压铸造;铸销;模具钢;
1 模具铸销现状
1.1高压铸造概述
高压铸造是一种将液态金属或合金,或含有增强物相的液态金属或合金,在
高压下以较高的速度填充入压铸型腔内,并使金属或合金在压力下凝固形成铸件
的铸造方法。具有高压、高速的特点。
为保证模具正常稳定生产,发动机缸体铸造过程中,会定期停机拆模具进行
保养维护。对模具粘铝进行清理,对磨损或腐蚀变形的铸销进行定期更换,保证
铸销不会在模具正常生产过程中产生断裂故障。停机拆模保养属于正常的模具整
备,本文探讨问题主要针对提升模具铸销使用寿命,降低模具正常生产过程中的
异常故障率。
1.2模具铸销常见故障
铸销表面极易产生粘铝和断裂。且这两种故障方式,是目前高压模具生产中
最主要的故障。外因:压铸机冷却喷淋等工艺参数的设定、模具使用过程中的整
备保养等。内因:原材料性能,加工工艺、表面处理及模具结构等。通过长期故
障排查及数据对比,考虑铝液易与铸销表面铁元素发生化学反应,判断模具铸销
的原材料,是影响模具故障的关键因素。
1.3提升铸销寿命的途径
1)使用优质的模具钢材,并对模具材质的化学成分、硬度、抗拉强度、塑性
等综合性能进行检测,并符合要求;
2)铸销的结构形状、安装位置、冷却等设计要合理;
3)压铸机水流量、压力、喷淋冷却、温度等工艺参数设置要合理;
4)模具表面磨损、腐蚀或粘铝后,进行打磨、焊接修复、物理被覆等,在保
证工件形状尺寸满足要求的情况下,延长模具备件的使用寿命;
5)模具表面进行化学涂层,阻隔铝液与模具表面基体的直接接触。
以上提升铸销使用寿命的主要途径,使用优质的模具钢材、表面处理工艺,
属于模具铸销本身内因,是延长铸销寿命的关键因素。
2 模具铸销原材料
2.1铸销原材料现状
由于高温、高压、冲蚀等生产环境,高压模具铸销原材料应具有以下特点:
1)具有良好的可切削加工性能;
2)具有良好的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性;
3)热膨胀系数小,具有良好的导热性和抗疲劳强度;
4)具有较高硬度等。
近年随着工业生产发展,已研制了多种新型模具钢,满足了较高综合性能,
解决了模具使用中的一些难题,大幅度提高了模具的使用寿命。当前本田系列内
部使用的模具铸销,主要原材料为SKD61热作模具钢,对应我国牌号为4Cr5MoSi
V1(H13钢)。
2.2几种重要元素在模具钢原料中的作用
以下是几种关键化学元素在模具钢的作用分析:
1)碳元素:形成特殊碳化物,如VC、Mo
2
C等,具有熔点高、硬度高、稳定,
加热不易溶于奥氏体中,回火析出温度较大。碳化物具有细化晶粒、增加强度、
提高耐磨性、降低韧性等作用;
2)铬元素:具有助于马氏体形成,降低淬火临界冷却速度的优点,同时会降
低模具钢的韧性和塑性;
3)钒元素:与碳元素结合能力很强,钒与碳形成非常坚硬的碳化钒(表面硬
度达到HV3000以上),能提高钢材的耐磨性;
4)钼元素:是高速钢以及热作钢当中,重要的组成元素,在钢中能够细化晶
粒增强淬透性及热强性,防止回火脆性;
5)硅元素:非碳化物形成元素,通常作为脱氧剂残留在钢中。能增强含钼钢
的二次硬度。也具有降低钢的红硬性,增加钢的脱碳敏感性。硅还使钢的退火温
度提高,对韧性产生不利影响;
6)锰元素:通常作为脱氧剂添加在钢中。主要作用是改善钢的热塑性。锰还
能与硫生产硫化锰的化合物,由此改善钢的切削性能,有利于强度和硬度的提高,
其程度不如碳,而且提高的量取决于含碳量;
7)镍元素:镍能降低临界转变温度,降低钢中各元素的扩散速率,提高淬透
性,降低共析珠光体的碳含量,其作用仅次于氮而强于锰;
8)磷元素:能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低;
9)硫元素:使钢产生热淬现象,降低钢的机械性能,对钢的耐磨蚀性和可焊
性不利。
如下是本次研究的W360模具钢与SKD61模具钢的元素含量对比:
图1 W360与SKD61化学元素含量对比
通过以上表格能得知,W360较SKD61有更显著的内塑性、韧性、残余应力小,
同时有更高的硬度,且W360里面有害硫元素要低于SKD61,因此可考虑将W360
模具钢作为铸销的原材料进行使用验证。
2.3 W360与SKD61主要性能对比
以下是W360与SKD61模具钢的几种关键性能对比:
W360在高温下的热传导性要优于SKD61。铸销使用过程中,温度均匀,导热
性能良好,不易发生粘铝等故障现象。
图2 W360与SKD61热传导性对比
W360在高温下(400℃以上)的热膨胀系数相对于SKD61小,不易发生热变
形的故障。
图3 W360与SKD61热膨胀系数对比
W360在高温下的热强度、硬度要优于SKD61:
图4 W360与SKD61热强度/硬度对比
综合以上性能对比,W360模具钢可以应用在模具铸销原材料进行验证。
3 使用验证
3.1 W360模具钢使用效果
根据两种模具钢的综合性能对比:对外径8mm以下,日常粘铝断裂等故障高
发的SKD61原材料的铸销,设变成W360原材料,其他尺寸等加工条件均保持不
变,模具保养等实施标准不变,压铸机压力、温度等参数条件设置等均不变,进
行上机生产测试。
上机测试过程中对以下标准进行确认:
1)压铸机品质保持停机时间,对铸销的粘铝情况进行设变前后的对比,发现
W360材质的铸销粘铝情况要明显优于SKD61;
2)测试开始对工件的W360销孔位置进行销检,无变形异常发生;后续每2
小时对销孔进行检测;
3)上机测试过程中,W360铸销的断裂故障率,要明显低于SKD61;
4)模具到达生产整备周期,卸模对设变前后的铸销进行颜检确认,W360铸销
的裂纹情况要优于SKD61铸销,外观粘铝品相要明显优于SKD61
基于以上,对W360材质铸销进行寿命延长测试,即SKD61材质铸销只能生
产一个整备周期的铸销,设变材质后,进行两个生产周期的验证,验证过程检测
标准如上。通过对累计28项铸销,多个生产周期的验证,铸销断裂和粘铝的故
障明显降低,铸销的使用寿命较原材料设变前,平均延长2倍。
3.2 W360模具钢与SKD61成本对比
模具钢的原材料成本包括毛坯料以及热处理费用,相同尺寸规格和同类硬度
要求的W360和SKD61费用比较,W360约是SKD61的1.5倍。然而经过生产过程
验证,W360的使用寿命周期是SKD61的2倍。因此综合比较之后,W360铸销的
综合成本费用约是SKD61铸销的75%,原材料设变后,综合单台成本下降25%。
4 结语
W360原材料较SKD61具有更好的韧性、塑性、高温热强度、硬度。运用到铸
销原材料以后,品质和成本方面都有较大改善突破,模具粘铝断裂等故障大幅下
降,模具维修单台成本下降。目前W360原材料已经横向展开至本田系列其他模
具部品,例如低压铸销、入子镶块等。
2024年4月27日发(作者:萨展鹏)
W360模具钢在发动机缸体铸造的应用
摘要:发动机缸体属于汽车发动机关键零部件,具有结构复杂和精度高的特
点。目前本田系列的缸体生产方式,采用的是高压铝合金压铸成型:将熔融的铝
合金(铝液)快速压入到高压模具中,并在高压下凝固成型。铸销是高压模具内
部关键零件,其一端插入至模具型腔内,铝液压铸成型后,形成发动机缸体的孔
洞。由于铝液具有温度高的特点(约700℃),以及成型过程中对铸销表面的压
力冲蚀、磨损和腐蚀,高压模具铸销极易产生粘铝和断裂故障。为了延长铸销的
使用寿命,降低模具故障,有必要探索新的模具钢原材料应用在压铸模具铸销上。
关键词:发动机缸体;高压铸造;铸销;模具钢;
1 模具铸销现状
1.1高压铸造概述
高压铸造是一种将液态金属或合金,或含有增强物相的液态金属或合金,在
高压下以较高的速度填充入压铸型腔内,并使金属或合金在压力下凝固形成铸件
的铸造方法。具有高压、高速的特点。
为保证模具正常稳定生产,发动机缸体铸造过程中,会定期停机拆模具进行
保养维护。对模具粘铝进行清理,对磨损或腐蚀变形的铸销进行定期更换,保证
铸销不会在模具正常生产过程中产生断裂故障。停机拆模保养属于正常的模具整
备,本文探讨问题主要针对提升模具铸销使用寿命,降低模具正常生产过程中的
异常故障率。
1.2模具铸销常见故障
铸销表面极易产生粘铝和断裂。且这两种故障方式,是目前高压模具生产中
最主要的故障。外因:压铸机冷却喷淋等工艺参数的设定、模具使用过程中的整
备保养等。内因:原材料性能,加工工艺、表面处理及模具结构等。通过长期故
障排查及数据对比,考虑铝液易与铸销表面铁元素发生化学反应,判断模具铸销
的原材料,是影响模具故障的关键因素。
1.3提升铸销寿命的途径
1)使用优质的模具钢材,并对模具材质的化学成分、硬度、抗拉强度、塑性
等综合性能进行检测,并符合要求;
2)铸销的结构形状、安装位置、冷却等设计要合理;
3)压铸机水流量、压力、喷淋冷却、温度等工艺参数设置要合理;
4)模具表面磨损、腐蚀或粘铝后,进行打磨、焊接修复、物理被覆等,在保
证工件形状尺寸满足要求的情况下,延长模具备件的使用寿命;
5)模具表面进行化学涂层,阻隔铝液与模具表面基体的直接接触。
以上提升铸销使用寿命的主要途径,使用优质的模具钢材、表面处理工艺,
属于模具铸销本身内因,是延长铸销寿命的关键因素。
2 模具铸销原材料
2.1铸销原材料现状
由于高温、高压、冲蚀等生产环境,高压模具铸销原材料应具有以下特点:
1)具有良好的可切削加工性能;
2)具有良好的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性;
3)热膨胀系数小,具有良好的导热性和抗疲劳强度;
4)具有较高硬度等。
近年随着工业生产发展,已研制了多种新型模具钢,满足了较高综合性能,
解决了模具使用中的一些难题,大幅度提高了模具的使用寿命。当前本田系列内
部使用的模具铸销,主要原材料为SKD61热作模具钢,对应我国牌号为4Cr5MoSi
V1(H13钢)。
2.2几种重要元素在模具钢原料中的作用
以下是几种关键化学元素在模具钢的作用分析:
1)碳元素:形成特殊碳化物,如VC、Mo
2
C等,具有熔点高、硬度高、稳定,
加热不易溶于奥氏体中,回火析出温度较大。碳化物具有细化晶粒、增加强度、
提高耐磨性、降低韧性等作用;
2)铬元素:具有助于马氏体形成,降低淬火临界冷却速度的优点,同时会降
低模具钢的韧性和塑性;
3)钒元素:与碳元素结合能力很强,钒与碳形成非常坚硬的碳化钒(表面硬
度达到HV3000以上),能提高钢材的耐磨性;
4)钼元素:是高速钢以及热作钢当中,重要的组成元素,在钢中能够细化晶
粒增强淬透性及热强性,防止回火脆性;
5)硅元素:非碳化物形成元素,通常作为脱氧剂残留在钢中。能增强含钼钢
的二次硬度。也具有降低钢的红硬性,增加钢的脱碳敏感性。硅还使钢的退火温
度提高,对韧性产生不利影响;
6)锰元素:通常作为脱氧剂添加在钢中。主要作用是改善钢的热塑性。锰还
能与硫生产硫化锰的化合物,由此改善钢的切削性能,有利于强度和硬度的提高,
其程度不如碳,而且提高的量取决于含碳量;
7)镍元素:镍能降低临界转变温度,降低钢中各元素的扩散速率,提高淬透
性,降低共析珠光体的碳含量,其作用仅次于氮而强于锰;
8)磷元素:能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低;
9)硫元素:使钢产生热淬现象,降低钢的机械性能,对钢的耐磨蚀性和可焊
性不利。
如下是本次研究的W360模具钢与SKD61模具钢的元素含量对比:
图1 W360与SKD61化学元素含量对比
通过以上表格能得知,W360较SKD61有更显著的内塑性、韧性、残余应力小,
同时有更高的硬度,且W360里面有害硫元素要低于SKD61,因此可考虑将W360
模具钢作为铸销的原材料进行使用验证。
2.3 W360与SKD61主要性能对比
以下是W360与SKD61模具钢的几种关键性能对比:
W360在高温下的热传导性要优于SKD61。铸销使用过程中,温度均匀,导热
性能良好,不易发生粘铝等故障现象。
图2 W360与SKD61热传导性对比
W360在高温下(400℃以上)的热膨胀系数相对于SKD61小,不易发生热变
形的故障。
图3 W360与SKD61热膨胀系数对比
W360在高温下的热强度、硬度要优于SKD61:
图4 W360与SKD61热强度/硬度对比
综合以上性能对比,W360模具钢可以应用在模具铸销原材料进行验证。
3 使用验证
3.1 W360模具钢使用效果
根据两种模具钢的综合性能对比:对外径8mm以下,日常粘铝断裂等故障高
发的SKD61原材料的铸销,设变成W360原材料,其他尺寸等加工条件均保持不
变,模具保养等实施标准不变,压铸机压力、温度等参数条件设置等均不变,进
行上机生产测试。
上机测试过程中对以下标准进行确认:
1)压铸机品质保持停机时间,对铸销的粘铝情况进行设变前后的对比,发现
W360材质的铸销粘铝情况要明显优于SKD61;
2)测试开始对工件的W360销孔位置进行销检,无变形异常发生;后续每2
小时对销孔进行检测;
3)上机测试过程中,W360铸销的断裂故障率,要明显低于SKD61;
4)模具到达生产整备周期,卸模对设变前后的铸销进行颜检确认,W360铸销
的裂纹情况要优于SKD61铸销,外观粘铝品相要明显优于SKD61
基于以上,对W360材质铸销进行寿命延长测试,即SKD61材质铸销只能生
产一个整备周期的铸销,设变材质后,进行两个生产周期的验证,验证过程检测
标准如上。通过对累计28项铸销,多个生产周期的验证,铸销断裂和粘铝的故
障明显降低,铸销的使用寿命较原材料设变前,平均延长2倍。
3.2 W360模具钢与SKD61成本对比
模具钢的原材料成本包括毛坯料以及热处理费用,相同尺寸规格和同类硬度
要求的W360和SKD61费用比较,W360约是SKD61的1.5倍。然而经过生产过程
验证,W360的使用寿命周期是SKD61的2倍。因此综合比较之后,W360铸销的
综合成本费用约是SKD61铸销的75%,原材料设变后,综合单台成本下降25%。
4 结语
W360原材料较SKD61具有更好的韧性、塑性、高温热强度、硬度。运用到铸
销原材料以后,品质和成本方面都有较大改善突破,模具粘铝断裂等故障大幅下
降,模具维修单台成本下降。目前W360原材料已经横向展开至本田系列其他模
具部品,例如低压铸销、入子镶块等。