探討提高壓鑄模具壽命的具體措施

旭東壓鑄(上海)有限公司 劉遵建

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（一）

在這里談?wù)剦鸿T模失效的形式和原因，從模具材料、熱處理、設(shè)計(jì)、制造加工，從壓鑄工藝、生產(chǎn)操作、模具使用維護(hù)等多方面，探討影響模具壽命的因素和具體的對(duì)策措施。

致使壓鑄模失效的主要形式是：①熱脹冷縮的交變應(yīng)力，長(zhǎng)期頻繁的反復(fù)循環(huán)，在模具表面出現(xiàn)熱疲勞龜裂裂紋；②由于熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力引起的模具整體開(kāi)裂、破損；③在壓射力和熱應(yīng)力的作用下，模具會(huì)在強(qiáng)度最薄弱處萌生裂紋，使型腔碎裂；④化學(xué)腐蝕、機(jī)械磨損、沖刷侵蝕、熔損侵蝕造成的模具侵蝕；⑤受到鎖模、插芯壓力和充填壓力作用使模具產(chǎn)生的塑性變形。這些模具失效缺陷出現(xiàn)的原因是復(fù)雜多樣的，下邊從實(shí)際應(yīng)用方面探討一些提高壓鑄模具壽命的具體措施。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（二）

1. 選用壓鑄模具材料應(yīng)注意的事項(xiàng)
模具材料要具有良好的切削加工性，易于精加工；有高的熱處理淬透性，使淬火后內(nèi)部和表面的組織和性能均勻，且尺寸變形小；持久的耐高溫塑性和耐熱疲勞強(qiáng)度，使模具不會(huì)過(guò)早的出現(xiàn)龜裂；高的高溫強(qiáng)度、硬度和高溫耐磨損性能，熱膨脹系數(shù)小，保證模具使用過(guò)程中尺寸的穩(wěn)定性；高的抗液態(tài)壓鑄合金化學(xué)侵蝕和機(jī)械沖蝕的能力，防止模具粘模和熔損缺肉；具有高的高溫耐氧化性，常溫耐腐蝕性，不容易發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象。為提高沖擊韌度，目前常用的H13鋼的化學(xué)成分純凈度要求：優(yōu)級(jí)鋼含硫量要小于0.005%；超級(jí)H13鋼要求含硫小于0.003%，和含磷小于0.015%。鋼的晶界無(wú)共晶碳化物夾雜，大塊狀的共晶碳化物和雜質(zhì)強(qiáng)度極小，不能抵抗熱疲勞，降低了鋼材的延展性，是龜裂發(fā)生的起源點(diǎn)。要使用電渣重熔爐的精煉鋼,它不僅純凈度高，還具有組織致密，優(yōu)良的熱疲勞抗力，抗熱裂性好,優(yōu)良的韌性及延展性,優(yōu)良的拋光性,較好的異向等同性能。鋼材的均一性要求材料的組織要均勻,鋼胚具備任意方向機(jī)械性能同性,不要有縱、橫、深方向的性能差異。

正確選用模具材料，采用高強(qiáng)度合金材料可以提高模具使用壽命。建議高壽命要求的模具選用瑞典一勝百的8407、DIEVAR，德國(guó)2344、美國(guó)H13（4Gr5MoV1Si）、日本SKD61材料。日本日立的DAC55、ZHD435和一勝百的DIEVAR在高硬度時(shí)有很好的韌性及抗高溫強(qiáng)度，模具壽命也很好。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（三）

1.壓鑄模具的熱處理應(yīng)注意的事項(xiàng)

熱處理是利用加熱與冷卻，改變壓鑄模具材料的金相組織，使模具材料得到所必需的強(qiáng)度、硬度、韌性、高溫下尺寸穩(wěn)定性、抗熱疲勞性、切削加工性等性能的操作。壓鑄模具熱處理時(shí)注意：對(duì)相同材質(zhì)、相同的熱處理后的硬度要求，若采用不同的熱處理工藝方法會(huì)令品質(zhì)性能完全不一樣。H13模具鋼的熱處理工藝和熱處理后的金相組織應(yīng)參照北美壓鑄學(xué)會(huì)(NADCA 207-2003)的規(guī)定。建議由模具鋼材銷售的公司負(fù)責(zé)模具的熱處理,避免因?yàn)椴牧虾蜔崽幚淼膹S家不同而引起品質(zhì)糾紛。

H13鋼采用高壓液氮?dú)饫涓哒婵諣t淬火質(zhì)量好，可以有效防止模具表面的脫碳、氧化、變形和開(kāi)裂。把淬火溫度升高到1020℃～1050℃（DIEVAR鋼在1000～1030℃），根據(jù)模塊材料的尺寸大小，和各個(gè)零部件要求的強(qiáng)度和韌性，適當(dāng)控制溫度和保溫時(shí)間，使合金碳化物充分溶入奧氏體，這樣可以減少模具因熱處理碳化物溶解不充分，殘留在晶界之間而造成的模具龜裂。但要注意鋼的臨界點(diǎn)Ac1和Ac3及保溫時(shí)間，防止奧氏體粗化。壓鑄模淬火后用不同溫度最少分3次回火，按2～3小時(shí)/次保溫，特別注意回火的溫度和硬度效果，H13鋼不能在425～550℃, DIEVAR鋼不能在500～550℃回火，以避免回火脆性。如果還要進(jìn)行氮化處理，可以減少一次回火處理。

鋼材的回火脆性

1. 回火脆性，是指淬火鋼回火后出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象。淬火鋼在回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，硬度降低，韌性升高。但是在許多鋼的回火溫度與沖擊韌性的關(guān)系曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)低谷，一個(gè)在 200~400℃之間，是低溫回火脆性；另一個(gè)在450~650℃之間，是高溫回火脆性。在回火脆性溫度范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，沖擊韌性反而下降。

合金鋼淬火得到馬氏體組織后，在450～600℃溫度范圍回火；或在650℃回火后以緩慢冷卻速度經(jīng)過(guò)350～600℃；或者在650℃回火后，在350～650℃溫度范圍長(zhǎng)期加熱，都使鋼產(chǎn)生脆化現(xiàn)象如果已經(jīng)脆化的鋼重新加熱到650℃然后快冷，可以恢復(fù)韌性，因此又稱為“可逆回火脆性”

2. 回火脆性產(chǎn)生的原因：是因雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，降低了晶界的斷裂強(qiáng)度，產(chǎn)生回火脆性。

3. 高溫回火脆性產(chǎn)生的機(jī)理：①出現(xiàn)回火脆性時(shí)，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A（奧氏體）晶界偏聚（是產(chǎn)生第二類回火脆性的主要原因），都集中在2~3個(gè)原子厚度的晶界上，回火脆性隨雜質(zhì)元素的增多而增大。Ni、Cr不僅自身偏聚，而且促進(jìn)雜質(zhì)元素的偏聚。②淬火未回火或回火未經(jīng)脆化處理的，均未發(fā)現(xiàn)合金元素及雜質(zhì)元素的偏聚現(xiàn)象。③合金元素Mo能抑制雜質(zhì)元素向A晶界的偏聚，而且自身也不偏聚。碳也起著促進(jìn)作用。一般碳素鋼對(duì)高溫回火脆性不敏感，含有鉻、錳、鎳、硅的二元或多元合金鋼則很敏感，其脆性敏感程度依合金元素種類和含量而不同。

4. 防止回火脆性產(chǎn)生的方法：
①提高鋼材的純度，盡量減少雜質(zhì)；
②加入適量的Mo、W等有益的合金元素；當(dāng)鋼中鉬含量增加到0．7％時(shí)，則高溫回火脆化傾向大大降低，超過(guò)此限鋼中形成富鉬的特殊碳化物，基體中鉬含量降低，鋼的脆化傾向反而增加；長(zhǎng)期在高溫回火脆化區(qū)工作的部件，單加鉬也難以防止脆化，只有降低鋼中雜質(zhì)元素含量，提高鋼的純凈度。
③對(duì)尺寸小、形狀簡(jiǎn)單的零件，采用回火后快冷的方法；
④采用亞溫淬火（低于A1~A3溫度線）： 細(xì)化晶粒，減少雜質(zhì)偏聚。加熱后為A+F（F為鐵素體，細(xì)條狀），雜質(zhì)會(huì)在F中富集，且F溶解雜質(zhì)元素的能力較大，可抑制雜質(zhì)元素向A晶界偏聚。
⑤采用高溫形變熱處理，使晶粒超細(xì)化，晶界面積增大，降低雜質(zhì)元素偏聚的濃度。
⑥在高溫回火后用油冷或水快速冷卻以抑制雜質(zhì)元素在晶界偏聚。

5. 壓鑄模具的回火或去應(yīng)力退火，都應(yīng)盡量避免在高溫脆性范圍內(nèi)進(jìn)行。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（四）

模具加工時(shí)產(chǎn)生的切削應(yīng)力、電火花放電 變質(zhì)層的應(yīng)力、和壓鑄時(shí)產(chǎn)生的熱疲勞應(yīng)力，可以通過(guò)退火來(lái)減輕或消除。模具應(yīng)定期退火處理消除應(yīng)力：第一次去應(yīng)力退火應(yīng)安排在淬火之前（退火溫度700℃～750℃），第二次去應(yīng)力退火應(yīng)安排在試模合格后的量產(chǎn)之前，再在壓鑄1萬(wàn)模、3萬(wàn)模時(shí)各退火處理一次，氮化一次可以代替一次退火處理。對(duì)H13鋼退火的溫度比淬火時(shí)最后一次回火的溫度低20℃～40℃，比如根據(jù)模塊厚度用560±10℃保溫1～1.5小時(shí)進(jìn)行消除應(yīng)力退火。

合理選擇模具的硬度，美國(guó)AISI H13 ESR類材料用于壓鑄模具，如果硬度偏低，易出現(xiàn)粘模和早期龜裂，如果硬度太高又會(huì)增加開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，所以一般建議：鋅合金壓鑄模用47～52HRC；中、小型的鋁、鎂合金壓鑄模用46～48HRC；尺寸大的鋁、鎂合金鑄件和比較厚或形狀復(fù)雜件的模具,應(yīng)適當(dāng)降低硬度為44～46HRC。日立的DAC55、ZHD435及一勝百的DIEVAR鋼在高硬度時(shí)有很好的韌性及抗高溫強(qiáng)度，應(yīng)用時(shí)硬度還可以比H13提高2～4HRC。 

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（五）

對(duì)壓鑄模的型腔表面容易出現(xiàn)粘模的部位和所有的型芯，應(yīng)選用氮化、碳氮共滲、日本的KANUC、蒸鍍（PVD物理蒸鍍、CVD化學(xué)蒸鍍）、氮化加蒸鍍、激光等方式的表面強(qiáng)化處理，以減少粘模或侵蝕。目前使用日本的KANUC處理的比較多。如需氮化時(shí)，型面的氮化層總深度應(yīng)比以往的0.2～0.3mm要小，應(yīng)根據(jù)鑄件壁厚由厚到薄控制在0.04～0.08～0.12mm, 且應(yīng)無(wú)化合物白亮層，防止過(guò)厚的白亮層碎裂后引起模具過(guò)早的龜裂。氮化溫度越高、氮?jiǎng)轁舛仍礁吆偷瘜釉胶裨饺菀桩a(chǎn)生白亮層。對(duì)容易粘模部位的零件,可以每壓鑄1～2萬(wàn)模進(jìn)行一次氮化等表面處理。當(dāng)模具壓鑄8～10萬(wàn)模次之后，由于硬度降低容易出現(xiàn)粘模時(shí)，也可以進(jìn)行氮化處理。注意，每次退火和氮化之前、后都要對(duì)模具表面進(jìn)行相應(yīng)的拋光處理。為防止模具型腔在量產(chǎn)之前出現(xiàn)氧化生銹，在試模合格之后，應(yīng)對(duì)模具在電熱爐中進(jìn)行530～560保溫1～1.5小時(shí)的氧化處理。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（六）

1. 壓鑄模具設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)

合理設(shè)計(jì)鑄件，鑄件要壁厚均勻，不要太薄、太厚，一般厚度為2～3.5mm 左右為好，棱角過(guò)渡要有圓角或斜坡以減小應(yīng)力集中,可使用筋條結(jié)構(gòu)消除鑄件會(huì)形成的熱節(jié)。過(guò)厚的壓鑄件內(nèi)部組織晶粒粗大,會(huì)形成氣孔、縮松、氧化、內(nèi)部裂紋,并伴隨有應(yīng)力源產(chǎn)生,以致其強(qiáng)度和耐用性能會(huì)低于加強(qiáng)筋輔助結(jié)構(gòu)形成的產(chǎn)品。

對(duì)于模具的易龜裂部位和易損傷部位盡量采取鑲件結(jié)構(gòu)，損壞后便于維修和更換。但成型零件上的鑲拼孔，包括型芯孔至模具的邊緣或附近的另一孔的距離不要過(guò)小，并且鑲拼孔的內(nèi)角要有較大的圓倒角，以免會(huì)成為模具早期龜裂的薄弱部位。
提高模具設(shè)計(jì)剛性，要分析模具型腔各個(gè)部位的受力情況。型腔得到的受力有合金液充填時(shí)的壓力、脹型力、沖擊力，產(chǎn)品脫模時(shí)的拉力、磨察力，溫度高低變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，開(kāi)合模、抽插芯時(shí)受到的壓力、拉力、預(yù)緊力等。設(shè)計(jì)時(shí)要使模具中各組件、各部位都具有足夠的厚度、寬度，使模具具有足夠的剛性以承受各種應(yīng)力。還要使這些受力達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶猓ㄟ@一點(diǎn)很重要），以防止模具變形、開(kāi)裂。制造時(shí)注意模具的細(xì)薄截面、模塊的凹角根部是模具出現(xiàn)斷裂的敏感源，要保證其配合精度，如果模塊配合的預(yù)緊力過(guò)大，它會(huì)把合模力集中到一點(diǎn)上，這是模具出現(xiàn)大面積斷裂的主要因素。