高压压铸模具钢的选材真的很难！大家的目的虽然一致——希望所选材料能够提供最好的模具寿命；但是压铸模工作状态多样/多变、模具材料方案经常难以兼顾各个方面、顾此失彼其实是业内很常见的情况。最佳的模具材料方案往往要通过试错过程来发现。
模具失效
可能最能够引起大家共鸣的，应该是那些模具失效的惨痛记忆了。比如打了几百、几千件后模具开裂报废、打了没有多少件模具早期龟裂、进料附近被冲击出凹坑/麻点、模具哪里都挺好，却有某一部分早期裂纹甚至掉块，等等不一而足。有的时候为了延长寿命挽救订单，为客户免费做氮化、涂层等各类表面处理，却被客户告知，寿命仍是不如之前的模具，而之前模具啥处理都没做……被逼补料赔加工费。上述这些，可能很多企业、老总应该都遇到过，很多这样的问题就发生在当下的此时此刻。
压铸模失效
压铸模具失效方式多样、诱发原因多样，千头万绪。我们尝试着来究其根本，高压压铸模选材之难，难在两点，一曰“兼顾”，二曰“多样”。
高压压铸模具中，“龟裂”、“冲蚀”等失效需要高硬度、高耐热、高蠕变强度。“开裂”、“掉块”等问题需要高韧性、高延展。“粘铝”、“拉模”等情况，又需要高导热。除此之外，还要考虑可加工性、热处理、及成本。多方面的需求集中到模具钢上，对钢材提出了多种机械性能/物理性能的要求，而这些要求之间又往往是互相矛盾的。比如，高蠕变强度对龟裂好，但往往降低韧性、于开裂不利。再比如低元素含量对导热好减轻粘铝，但对耐热不利模具龟裂早。如果偏重部分方面来选择材料，一定意义上类似赌博，如果所偏重的部分正好对应模具所需，而相对忽略的性能又不会引起严重问题，赌对了，自然收益很大。但反之，赌错了，自然损失惨重。也正是为了稳妥起见，“中庸”方案成了大部分人的选择，而“中庸方案”在很多特定工况下，又明显比不过“偏科生”。
模具型腔的多样性
高压压铸模具的型腔各个部分之间，实际工况是有巨大“多样性”的。虽然同样是机械部件，齿轮、轴承、叶片等等，工作状态、失效部位、承受载荷往往是固定的、单一的，根据某一核心关键部位需求选择的材料方案，相对来说更易于优化出最优方案；而高压压铸模具甚至型腔不同部位之间的工况/负载都差异极大。
以管线钢举例，屈服强度分别为550MPa、690MPa、830MPa的X80、X100、X120管线钢，互相之间仅差150MPa不到的强度，就已经会被应用到不同的油气管线上，管径/壁厚等等参数完全不同，完全是不一样的机械工件。模具方面以一个常见的重卡中壳举例，型腔不同部位的瞬时热应力，高者700、800MPa，中者400、500MPa，低者甚至200多MPa都不到，但整个型腔、模仁，不论高中低如何却都是一种热作钢来承受。油气管线也会做冗余设计以应对高负载工况，但主要是为了应对地震、火山等极特殊工况下的防裂防漏，管线的全寿命期可能一次都遇不到。模具则是打一模就经历一次，属于日常工况。
同样规格的管线、同样工况的齿轮、同样规格的螺栓，基本上来说复制件的工况与原始件相差不大。但是复制模与原始模之间，因为设变导致的模具内外热环境变化，可能让热应力大出2-3倍，寿命急剧缩短到1/3以下。齿轮、螺栓等简单部件从一台设备更换到另一台设备上，一般而言工况是不变的，工作寿命也基本稳定。但是即便是完全一样的模具，从一个压铸厂换到另一家压铸厂，因为机台、控制、冷却、喷涂等等因素的变化，寿命剧烈波动的情况一点也不罕见。
压铸模定模面不同位置在填充过程中的温度差异
（孙永明等，利用热应力场模拟估算压铸模具局部区域寿命， 《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第06期）
从上述这些对比就鲜明的看到，模具这类复杂机械部件与齿轮、轴承、紧固件等等简单机械部件在材料选择上的差异，仅在强度上就已经如此巨大。如果再加入韧性、耐热、导热，以及工况、机台等等方面的需求，压铸模具的材料方案优化难度远非简单机械部件能比，可以说是属于“不同次元”了。
压铸钢材的“偏科”
相对于“变化”这个问题，“兼顾”要更容易做到。压铸钢材要做到兼顾几方面的性能，从中找某些项目优选、提高，目前的冶金技术是可以做到的，至少可以保证相当大部分压铸项目的顺利进行。“变化”则是最棘手的问题。简而言之“变化”来自于模具工况的未知，正是这种未知造成压铸模具选材不可能像按强度选螺栓那样方便，而只能根据经验、知识去预估。这种预估往往带有非常大的保守成分，即为了兼顾各种可能的模具失效，会偏向于选择各方面短板不明显的材料方案，也就是选择“全能选手”。但是“全能选手”往往会在某些领域比不过“偏科战士”。比如手机中板压铸，3Cr2W8V在韧性上远远不是DAC55的对手，但是作为高耐热钢抗回火能力则远超之。手机中板模的结构特点使其整体开裂的风险比较小，所以采用了3Cr2W8V的中板模往往寿命远超DAC55模，加之价格又更便宜，性价比自然远超DAC55。这就是典型的“偏科胜利”。
可是对于绝大多数压铸模具项目，像中板这样模具风险特点已知的案例，是少之又少的。有限的经验自然也被少数有经验的厂家把控。这些经验或者技术壁垒，以各种直接/间接的方式被保护了起来。直接的比如签保密协议，不许告诉其他人我这个模具用的啥料啥硬度。间接的则是材料讯息不做限制，但是与之配套的模具结构则三缄其口。很多欧系进口模寿命很好，但是用料就是常规电渣1.2343，往往在用料方面不如国内很多模具，说白了就是“用的啥料可以告诉你，但是与之配套的‘法门’是不能告诉的”。具体的可以是点冷设计、可以是线冷配合、可以是浇排设计、甚至是模架、滑块座匹配等等各个细节。从而使材料工作在最能发挥出性价比的状态下。那么这款材料也就成了最优方案—如果买品质比它差的，模具有风险；如果买品质更高的，品质过剩犯不着。
常见的5类热作钢
我们来看一看市场上常见的各类热作钢：
1、低耐热高韧性钢
比如5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMo等，多用于大型构件锻造，如锤锻、压力机锻。40-42HRC下Charpy-v冲击功能有40J以上。耐热性相对偏低但韧性较好，“偏科生”。
2、中耐热中韧性钢
4Cr5MoSiV1也就是H13等，包括W350、DAC55、DH31EX、Deivar、TQ1等等都属于这个钢类。5个Cr给出高淬透性和二次硬化峰，加入Mo、V提供不易熟化合金碳化物提高耐热能力。持久工作温度为500-550℃。属于目前用途最广泛的热作钢类，也是强度、韧性、耐热各方面综合性能较好的“全能选手”。Charpy-v冲击功在45HRC左右可以分布在10-30J这个区间。压铸、锻造、热变形等多有使用，也是目前高压压铸模具的绝对主力。
3、高耐热钢
如3Cr2W8V, 4Cr3Mo3W2V, 5Cr4Mo2W2SiV等，高温应用元素如W、Mo含量显著增加，持久工作温度为600-700℃，多用于热冲模具、热挤、热剪、热搓丝等需要持续工作在高温的工况（与之对比，低耐热高韧性钢及中耐热中韧性钢，是“瞬时”工作在高温）。此类钢一般工作硬度多见于50-55HRC，韧性偏低，室温Charpy-v即便是最佳情况也只在10J左右徘徊（个别优秀者可到15J，但出现机率太少，实操可以忽略）。
热处理一般多需高温淬火，且回火过程除了有500℃左右的韧性低谷外，还有600℃以上的所谓“600脆”。属于典型的“偏科生”。
高耐热钢与中耐热钢抗回火软化对比
4、奥氏体耐热钢
Cr14Ni25Co2V,4Cr14Ni14W2Mo,5Mn15Cr8Ni5Mo3V2,7Mn10Cr8Ni10Mo2V2, 室温性能一般，强度低韧性差成本贵。但700度以上高温强度优异，可以持久的在700℃以上高温工作。应用于玻璃模具，钛合金蠕变成型模具，白铜挤出模等。此类材料虽然高温性能优异，但也正因为此只能应用于上述特殊场景。因为这类材料的导热差、膨胀系数又巨大，所以不能承受忽冷忽热的热疲劳工况，也就是不能通冷却水，只能一直保持在热的状态，通了冷却水很容易就炸掉。一般工作时应预热到400-450度。此外它们的高Cr、高合金含量也带来高高耐蚀性，适合玻璃成型模具的腐蚀问题。
高锰系奥氏体耐热钢与3Cr2W8V的高温硬度对比
5、18Ni300类
准确来讲应该称为高Ni马氏体时效钢，除了最经典的18Ni300，还包括18Ni250、18Ni350等等。此系列利用Fe-Ni系在Ni含量18%时即便超慢冷速也一样会发生马氏体转变这个特点，配合Co、Mo以固溶、时效强化原理调控强韧性，从而获得相当高的综合力学性能，50HRC硬度下Charpy-V冲击功能达到20J。
在耐热性方面也有优异表现，抗回火能力显著优于H13等中耐热钢，基本接近高耐热钢。并且不需要淬火仅需时效即可赋予硬度，避免了热处理变形，非常适合几何特征精度要求高的压铸、注塑模具。
如此优异的材料，也必然有短板，主要为三点。
一是太贵，此类钢对纯净度要求极高并且钢中C视为杂质，因此一般要求双电渣或相当的工艺，造成成本高昂；
二是加工性不佳，这是由于它无法做成退火态，只能是固溶态加工，基本硬度在30HRC以上，模具拉荒消耗大；
三是此类料一旦长时间处于600℃以上温区，会大量产生回转奥氏体，从而导致机械性能迅速下降并引起模具尺寸变化。
具体来讲如果一套压铸模的控温做的蛮好，内冷外冷方案合理，工作时型腔最高温度相对低，远离600℃，那么模具龟裂寿命往往相较H13极长。但如果反之，控温不合理，局部型腔接近甚至超过600℃，那么会发现龟裂很快寿命剧烈降低，并且模具还膨胀了（出现回转奥氏体后，冷却到室温会再次变成马氏体，此时相对于正常的时效态体积要膨胀）。这是很多18Nice300类模具应用时表现不佳的主因（例如有厂家发现，3D打印的18Ni300压铸模，有的用的不错，有的却寿命短并且发生尺寸变化）。实际上往往并非是材料、热处理或生产工艺的问题，而是模具工作工况变化的原因。
Fe-Ni合金转变图-反映18Ni300类材料相变特征
我们简单列出的这5类热作钢，虽远远不能代表全部可用于高压压铸的钢类，但也比较充分的反映了几大主流钢类的特点，哪些是“全能手”、哪些是“偏科生”。也能够看到，如果使用场景合适，那么偏科生往往比全能手更能带来性价比。说到底这还是因为，相对齿轮、轴承、紧固件等简单机械部件，高压压铸模具的工况要难以把握得多。但是如果把握准了，根据所需性能选择材料，主要性能重点发挥，次要性能够用即可，那么这个材料方案对于企业来讲自然是最佳的。最难的难点，还是在于压铸模具的工况把握上。举例来说，目前油基静电喷涂技术在特斯拉的带领下逐渐为更多人所知，早先此项技术主要是日系、德系厂商应用较多。静电喷涂带给型腔的热应力较之普通水基脱模剂喷涂要小得多，在龟裂、裂纹方面模具往往有普通模具5倍以上的提高。但此项技术的应用，要求模具内部冷却设计必须非常优秀，否则油基喷涂无法像水基那样能带走型腔热量，下一模产品的凝固就会受影响。基于这一特点，油基模具实际上对材料抗龟裂能力的需求相对较低，而抗开裂的需求则较高从而保障复杂水路的加工/布置。那么基于此点开发的材料方案、热处理方案、表面处理方案等等自然有很大机会相对传统方案获得高性价比。
压铸模具检修和维护保养1. 检修和维护保养的重要性
- 预防故障：定期检修和维护保养可以有效预防模具故障，如裂纹、粘铝等问题。
- 延长使用寿命：良好的维护可以显著延长模具的使用寿命，减少因模具问题导致的生产延误。
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提高生产效率：通过维护，可以减少因模具问题导致的停机时间，提高生产效率
2. 具体的检修和维护保养措施
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模具结构设计
- 确保压铸件壁厚满足合金的正常壁厚和最小壁厚要求，避免缩孔和缩松。
- 根据铸件两壁连接方式，合理选择铸造圆角大小，有利于金属液充填和排气。
- 起模斜度应按合金种类和曲面特性恰当选取，以便铸件顺利脱模。
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模具材料选择
- 选择耐热疲劳、热稳定性好的热作模具钢，如8407或精炼H13。
- 根据加工材料种类、产品特点和生产批量等正确选择模具材料，提高经济效益。
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模具的热处理
- 通过改变工件显微组织，改变工件强度、硬度、韧性、耐磨等使用性能。
- 控制淬火温度和时间、冷却速度以及回火温度，确保模仁设计硬度为HRC 44~46。
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模具使用环境
- 根据合金种类、铸件壁厚以及结构复杂程度，合理选择压铸模具的预热温度和工作温度。
- 确保模具得到适当冷却，冷却水的温度应保持在40~50℃。
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模具维修保养
- 规范的保养可使模具处于良好状态。新模具试模后，应进行去应力回火。
- 当新模具使用到设计寿命的1/6~1/8时，应对模具型腔进行450~480℃回火，并对型腔抛光和氮化，以消除内应力和型腔表面的轻微裂纹。
- 以后每12000~15000模次进行同样保养。
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3. 智能化维护与保养
- 模具外部清洗机：针对使用后下机的模具外部、分型面等进行清洁，实现可调加热，自动配比添加除垢剂和防锈剂，并进行超高压水清洗。
- 模具管道清洗机：对模具管道流量测定、模具管道清洗、试压、测漏、管道水吹干，实现自动化数据存储记录，可在压铸过程中实现在线清洗。
- 模具液压测试机：对模具下机后，对油缸维护后模拟机上工作状态进行测压、测漏提供数据支持与记录，避免上机后出现漏油等状况。
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