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、制造加工，從壓鑄工藝、生產(chǎn)操作、模具使用維護等多方面，探討影響模具壽命的因素和具體的對策措施。

致使壓鑄模失效的主要形式是：①熱脹冷縮的交變應(yīng)力，長期頻繁的反復循環(huán)，在模具表面出現(xiàn)熱疲勞龜裂裂紋；②由于熱應(yīng)力及機械應(yīng)力引起的模具整體開裂、破損；③在壓射力和熱應(yīng)力的作用下，模具會在強度最薄弱處萌生裂紋，使型腔碎裂；④化學腐蝕、機械磨損、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)的原因是復雜多樣的，下邊從實際應(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
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度，使模具不會過早的出現(xiàn)龜裂；高的高溫強度、硬度和高溫耐磨損性能，熱膨脹系數(shù)小，保證模具使用過程中尺寸的穩(wěn)定性；高的抗液態(tài)壓鑄合金化學侵蝕和機械沖蝕的能力，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鋼的化學成分純凈度要求：優(yōu)級鋼含硫量要小于0.005%；超級H13鋼要求含硫小于0.003%，和含磷小于0.015%。鋼的晶界無共晶碳化物夾雜，大塊狀的共晶碳化物和雜質(zhì)強度極小，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。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2344、美國H13（4Gr5MoV1Si）、日本SKD61材料。日本日立的DAC55、ZHD435和一勝百的DIEVAR在高硬度時有很好的韌性及抗高溫強度，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

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。壓鑄模具熱處理時注意：對相同材質(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)參照北美壓鑄學會(NADCA 207-2003)的規(guī)定。建議由模具鋼材銷售的公司負責模具的熱處理,避免因為材料和熱處理的廠家不同而引起品質(zhì)糾紛。

H13鋼采用高壓液氮氣冷高真空爐淬火質(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，和各個零部件要求的強度和韌性，適當控制溫度和保溫時間，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Ac1和Ac3及保溫時間，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/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，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)了兩個低谷，一個在 200~400℃之間，是低溫回火脆性；另一個在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350～600℃；或者在650℃回火后，在350～650℃溫度范圍長期加熱，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度，產(chǎn)生回火脆性。

3. 高溫回火脆性產(chǎn)生的機理：①出現(xiàn)回火脆性時，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。碳也起著促進作用。一般碳素鋼對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；當鋼中鉬含量增加到0．7％時，則高溫回火脆化傾向大大降低，超過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對尺寸小、形狀簡單的零件，采用回火后快冷的方法；
④采用亞溫淬火（低于A1~A3溫度線）： 細化晶粒，減少雜質(zhì)偏聚。加熱后為A+F（F為鐵素體，細條狀），雜質(zhì)會在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)進行。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（四）

模具加工時產(chǎn)生的切削應(yīng)力、電火花放電 變質(zhì)層的應(yīng)力、和壓鑄時產(chǎn)生的熱疲勞應(yīng)力，可以通過退火來減輕或消除。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1萬模、3萬模時各退火處理一次，氮化一次可以代替一次退火處理。對H13鋼退火的溫度比淬火時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小時進行消除應(yīng)力退火。

合理選擇模具的硬度，美國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，如果硬度太高又會增加開裂的風險，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雜件的模具,應(yīng)適當降低硬度為44～46HRC。日立的DAC55、ZHD435及一勝百的DIEVAR鋼在高硬度時有很好的韌性及抗高溫強度，應(yīng)用時硬度還可以比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化學蒸鍍）、氮化加蒸鍍、激光等方式的表面強化處理，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，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)無化合物白亮層，防止過厚的白亮層碎裂后引起模具過早的龜裂。氮化溫度越高、氮勢濃度越高和氮化層越厚越容易產(chǎn)生白亮層。對容易粘模部位的零件,可以每壓鑄1～2萬模進行一次氮化等表面處理。當模具壓鑄8～10萬模次之后，由于硬度降低容易出現(xiàn)粘模時，也可以進行氮化處理。注意，每次退火和氮化之前、后都要對模具表面進行相應(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)對模具在電熱爐中進行530～560保溫1～1.5小時的氧化處理。

探討提高壓鑄模具壽命的具體措施（六）

1. 壓鑄模具設(shè)計應(yīng)注意的事項

合理設(shè)計鑄件，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)消除鑄件會形成的熱節(jié)。過厚的壓鑄件內(nèi)部組織晶粒粗大,會形成氣孔、縮松、氧化、內(nèi)部裂紋,并伴隨有應(yīng)力源產(chǎn)生,以致其強度和耐用性能會低于加強筋輔助結(jié)構(gòu)形成的產(chǎn)品。

對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小，并且鑲拼孔的內(nèi)角要有較大的圓倒角，以免會成為模具早期龜裂的薄弱部位。
提高模具設(shè)計剛性，要分析模具型腔各個部位的受力情況。型腔得到的受力有合金液充填時的壓力、脹型力、沖擊力，產(chǎn)品脫模時的拉力、磨察力，溫度高低變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，開合模、抽插芯時受到的壓力、拉力、預緊力等。設(shè)計時要使模具中各組件、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。還要使這些受力達到適當?shù)钠胶猓ㄟ@一點很重要），以防止模具變形、開裂。制造時注意模具的細薄截面、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，如果模塊配合的預緊力過大，它會把合模力集中到一點上，這是模具出現(xiàn)大面積斷裂的主要因素。