蠕墨铸铁压铸模的特性研究

　　本文探讨研究了蠕墨铸铁压铸模的相关特性。

　　用高频电炉熔化，以稀土镁钙合金作蠕化剂，采用陶瓷型精铸工艺，试生产了蠕铁压铸模。结果表明：蠕铁不仅有较高的杭拉强度、硬度及延伸率，而且还有优于其它石基形态铸铁的抗热疲劳性能，在使用寿命相近的情况下，陶瓷型精铸蠕铁压铸模成本仅为3Cr2W8V钢成本的1/3，具有较高的寿命价格比。

　　目前，压铸模材料发展处于不断完善阶段，在美、日、德国曾做过用18Ni250T，18N300和钨基材料的试验，尚未普遍推广，而大量采用的是H-13钢。我国压铸模材料大都是3Cr2W8V和2Cr2W8合金钢及H-13钢，但其寿命价格比都不高，且生产周期长。探索高性价比的压铸模替代材料已成为压铸行业普遍关心的问题。本文介绍的是采用陶瓷型工艺铸造电影机灯箱零件的蠕铁压铸模的试验。

　　1 试验条件、内容与方法

　　熔炼采用高频电炉、铁水出炉温度为1420℃-1450℃，炉料由Z15、废钢和回炉料组成。孕育剂采用75#Si-Fe，采用两种蠕化剂，其化学成分如表1。经试验发现，当RE-Mg合金加人量低于0.5%、RE-Mg-Ca合金加人量低于0.9%时，石墨的形态为过冷石墨和少量蠕虫状石墨;当RE-Mg合金加人量大于0.6%、RE-Mg-Ca合金加人量大于1.39%时，石墨呈团球状。为了稳定获得蠕墨铸铁，选择RE-Mg合金加人量为0.55%、RE-Mg-Ca合金加人量为1.1%。

表1两种绍化荆的化学成分

　　蠕化、球化处理采用包底冲人法。每次处理后，炉前用V型试块来检验蠕化和球化效果，然后浇注各种试样，用以测定抗拉强度、延伸率、硬度、金相组织、化学成分及热疲劳性能。

　　铁水的化学成分对能否稳定地获得蠕虫状石墨组织并保证其性能有重要的影响。蠕铁的化学成分(以下均以质量百分含量计)确定如下，C：3.6%-3.8%,Si：2.6%-2.9%, Mn<0.4%, S：<0.03%，其余为Fe。

　　热疲劳试样加工成直径为20mm，长为10mm的圆样，在450℃管式炉中保温15s，然后放人水中(室温)激冷15s，循环操作直至出现肉眼可见的裂纹为止。

　　2 试验结果与分析

　　2.1化学成分与力学性能

　　蠕铁与灰铁、球铁的化学成分及性能的比较与分析见表2。

表2灰铁、蠕铁、球铁力学性能的比较

　　由表2可知，蠕铁的抗拉强度比灰铁高很多，有的高出近一倍;蠕铁的延伸率是灰铁的3-5倍，硬度也高于灰铁。可见蠕铁的综合力学性能远高于灰铁。与球铁相比，蠕铁的上述力学性能与之相差的幅度不大，而蠕铁由于石墨形态为蠕虫状，其导热性能要比球铁好得多，所以在高温下，蠕铁具有良好的力学性能。

　　2.2 热疲劳性能

　　分别对灰铁、蠕铁、球铁进行了热疲劳试验，其循环次数分别为：219、380、360(4个试样平均值)。

　　上述3种材质中蠕墨铸铁有最好的耐热疲劳性能，这是材质的导热率与力学性能综合作用的结果：球墨铸铁力学性能虽好，但弹性模量大，导热率低，在激冷激热作用下产生的内应力大，易促使裂纹出现;灰口铸铁的导热率虽高，但力学性能太低，故而热疲劳性能最差。蠕墨铸铁有接近球铁的力学性能，又有和灰口铸铁相似的良好导热性，因而在激冷激热作用下表现出最好的耐热疲劳性能。

　　2.3 铁素体含量对热疲劳性能的影响

　　表3给出了不同基体组织的蠕铁热疲劳试验结果。从表3可知：铁素体基体的耐热疲劳性能优于珠光体基体，这是由于铁素体是单相组织，高温无相变，较珠光体稳定，抗氧化能力及塑性都较珠光体好。可见，压铸模采用以铁素体为主的基体组织为宜。

表3不同基体组织的蠕铁热疲劳试验结果

　　3 蠕铁压铸模的生产试验

　　选用范围较宽的RE-Mg-Ca作蠕化剂，其加人量为1.1%。分别采用陶瓷和普通砂两种材料造型，浇注蠕铁压铸模。

　　下图为蠕铁压铸模的金相组织，可见：石墨形态以蠕虫状为主，蠕化效果良好;蠕铁压铸模的基体组织以铁素体为主体，这可以保证对压铸模耐冲击韧性的要求。

　　对比陶瓷和普通砂两种造型材料铸造出的蠕铁压铸模，陶瓷型生产的蠕铁压铸模的表面质量远远优于砂型生产的蠕铁压铸模，_且在型腔内有一层致密的硬化表层，使得硬度更高，耐磨性更好。陶瓷型生产的蠕铁压铸模除必要的定位尺寸外，其余都不需要进行加工，可铸态使用。由于陶瓷型工艺生产的压铸模的型腔不需加工，从而与3Cr2W8V钢相比节省了大量的机加和热处理工时，可大大降低生产成本。

　　陶瓷型精铸蠕铁压铸模经装人压铸机试用，运行结果表明：该压铸模的使用寿命接近1.6万次，其破损的形式是热疲劳，其使用寿命是3Cr2W8V钢压铸模的3/4，且略高于球铁压铸模，而其成本只有3Cr2W8V钢的1/3。因此，采用蠕铁压铸模代替3Cr2W8V钢压铸模，使用性能可靠，成本低廉。

　　4 结论

　　蠕铁不仅有较高的抗拉强度、硬度及延伸率，而且还有优于其它石墨形态铸铁的抗热疲劳性能，具有较高的寿命价格比。在使用寿命相近的情况下，陶瓷型精铸蠕铁压铸模成本仅为3Cr2W8V钢成本的1/3，用蠕铸铁代替3Cr2W8V钢作压铸模材料是可行的。且蠕铁压铸模无需大量加工和热处理，生产周期短，尤其在单件小批量生产时，更能体现出蠕铁压铸模的优越性。

　　作者简介：孙宇(1980-)，男，哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，研究方向为铸造合金及工艺。