延長壓鑄模具使用壽命的方式

iyz2016

金屬壓鑄是先進的少、無切削工藝，具有生產效益高、節(jié)省原材料、降低生產成本、鑄件性能好、精度高等特點，得到廣泛應用。其中壓鑄鑄件最大的市場是汽車工業(yè)，隨著人類更加關注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護，汽車輕量化是實現高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保的最佳途徑。用鋁合金代替?zhèn)鹘y鋼鐵制造汽車，可使整車重量減輕30％左右。由于壓鑄模具是在高壓(30～150MPa)下將400～1，6000C的熔融金屬壓鑄成型。成型過程中，模具周期性地經加熱和冷卻，且受到高速噴人的灼熱金屬沖刷和腐蝕。模具用料要求有較高的熱疲勞抗力、導熱性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學性能。要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅靠模具材料的應用仍然很難滿足，必須將各種表面處理技術應用到壓鑄模具的表面處理當中才能達到對壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。

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* ^8 J! J* v+ W2 [" W/ {2、壓鑄模失效形式
壓鑄模工作時與高溫的液體金屬接觸，不僅受熱時間長，而且受熱的溫度比鍛模還高，壓鑄有色金屬的溫度300～800℃，壓鑄黑色金屬的溫度達1000℃以上。還承受了很高的壓力30～150MPa，受到反復加熱和冷卻以及金屬液流動的高速沖刷而產生的磨損和腐蝕，并被反復加熱、冷卻，加工環(huán)境較惡劣。據失效形式統計，用3Cr2W8V作壓鑄模材料，65％是熱疲勞，15％是開裂，6％是磨耗，4％是沖蝕失效。

1 h4 ^+ s6 ^! p0 t8 p2．1 疲勞裂紋
熱疲勞裂紋是壓鑄模最常見的失效形式，占失效比例大。壓鑄過程中壓鑄模在300～8000C的熱循環(huán)及脫模劑導致的拉應力與壓應力交變循環(huán)，反復經受急冷、急熱所造成的熱應力，導致在型腔表面或內部熱應力集中處逐漸產生微裂紋，其形貌多數呈現網狀，稱龜裂，也有呈放射狀。熱應力使熱疲勞裂紋繼續(xù)擴展成宏觀裂紋。從而導致壓鑄模失效。熱疲勞裂紋是熱循環(huán)應力、拉伸應力和塑性應變共同作用而產生的。塑性應變促進裂紋的形成，拉伸應力促進裂紋的擴展與延伸。從微觀分析，熱疲勞裂紋在晶界碳化物、夾雜物集中區(qū)萌生，應選鋼質潔凈、顯微組織均勻的優(yōu)質模具鋼有較高的熱疲勞抗力。

2．2 整體脆性開裂
整體脆性開裂是由于偶然的機械過載或熱過載而導致壓鑄模災難性斷裂。材料斷裂時所達到的應力值一般都遠低于材料的理論強度，由于微裂紋的存在，受力后將引起應力集中，使裂紋尖端處的應力比平均應力高得多。壓鑄模脆性開裂引起的原因很多，而材料的塑韌性是箱對應的最重要的力學性能。模具鋼中夾雜物減少，韌性明顯提高，在生產中整體脆裂的情況較少發(fā)生。
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2．3 溶蝕或沖蝕
" v% h! V8 ]9 ~6 i7 U8 ]' J熔融的金屬液以高壓、高速進入型腔。對壓鑄模成型零件的表面產生激烈的沖擊和沖刷，造成型腔表面的機械沖蝕，高溫使壓鑄模硬度下降，導致型腔軟化，產生塑性變形和早期磨損。在填充過程中，熔液產生湍流導致的空蝕效應或熔液中的微小顆粒產生的沖刷，高溫金屬液中雜質和熔渣對模腔表面產生復雜的化學變化，產生化學腐蝕，熔融金屬液逸出氣泡使型腔發(fā)生氣蝕，這種機械和化學磨損綜合作用的結果都在加速表面的腐蝕和裂紋的生成。提高模具材料的高溫強度和化學穩(wěn)定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。
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7 C: l( S8 d; d$ R3、影響熱疲勞的因素
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, _& e2 f! G2 w3．1 模具溫度影響
壓鑄時速度很高，壓力很大，模具表面受到很強的沖擊負載，模具表面接觸高溫熔體，其溫度最高8700C，在這樣高溫急熱下，模具表面產生壓縮熱應力。每次壓鑄前在模具內噴潤滑劑進行急冷，模具表面產生拉應力，這種交變熱應力在超過模面的屈服強度時在表面產生熱疲勞微裂紋，急劇擴散，向心部擴散形成龜裂。將引起鑄件拉傷及粘模，嚴重的造成模具早期開裂。

% m, o' i: _5 t; j$ B3．2 材料基本特性
壓鑄在急熱急冷的壓鑄環(huán)境下工作，對壓鑄模材料有以下要求：
( h/ x' U+ i4 J" D, Q(1)抗熱疲勞和抗熱沖擊性能好，不易產生裂紋。
(2)韌性和延展性好，改善模具尖角和凸出部分的抗沖撞擊能力。
% ]7 j9 |% |  A* g; C5 k(3)良好的熱硬性、熱強性，淬透性，耐磨性和高溫抗氧性。
( t4 j/ W! H6 p5 O' T4 }# H(4)熱處理變形小，熱膨脹系數小等等。常用于壓鑄模的以鉻、鎢和鉬為主的熱作模具鋼3Cr2W8V和H13鋼(4Cr5MoSiVl)。目前，使用壓鑄模多用H13鋼，是以合金元素鉻為主的熱作模具鋼，具有良好的韌性、熱疲勞抗力和抗氧化性，經過適當的表面處理，其使用壽命可達到相當高的水平，現已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應用，國外90％以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。模具材質控制很重要。壓鑄模用的H13鋼必需是鋼質潔凈，組織均勻，偏析輕微，等向性好的優(yōu)質鋼。國外優(yōu)質H13鋼的生產過程中采用了一系列先進工藝技術，如通過真空除氣、電渣重熔等精煉技術提高潔凈度，再通過多向扎制或反復墩鍛及采用超細化處理技術，使H13鋼具有優(yōu)良的內在質量。運用先進冶煉工藝提供更多的高純度壓鑄模具鋼，是今后的方向。
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$ F3 Q5 ^) g- i4、壓鑄模熱處理流程
通過熱處理可以改變材料的金相組織，以保證必要的強度和硬度、高溫下尺寸的穩(wěn)定性，抗熱疲勞性能和材料的切削性能等。經過熱處理后的零件要求變形量少，無裂紋和盡量減少殘余內應力的存在。目前壓鑄模一般采用真空氣體淬火，表面沒有氧化物，模具變形小，更好保證模具質量，其流程為鍛造_球化退火_粗加工一穩(wěn)定化處理_精加工_最終熱處理(淬火、回火)_鉗修_拋光_+滲氮(或碳氮共滲)_精磨或精研_裝配。對H13鋼采用高溫淬火、雙重淬火、控制冷卻速度淬火、深冷處理等，從而改善模具性能，提高模具壽命。
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5、壓鑄模表面強化處理
對模具進行表面處理是延長模具壽命的最有效、最經濟的方法。通過調整一般熱處理工藝改善鋼的強度和韌性。采用不同的表面強化處理工藝，以適宜的心部性能相配合，可賦予模具表面以高硬度、耐磨耐蝕、抗咬合和低摩擦系數等許多優(yōu)良性能，使模具壽命提高幾倍甚至幾十倍。模具表面強化主要有3類：①不改變表面化學成分，有激光相變硬化等；②改變表面化學成分，滲氮等；③表面形成覆蓋層，氣相沉積技術處理等。
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* d; X( d1 S3 ~/ k; F1 U' r5．1 不改變表面化學成分強化
1 n6 C8 t4 ~& h2 u激光強化處理：激光作為熱源對材料表面進行強化，有相變硬化、表面溶化、表面涂覆等。其特征是供給材料表面功率密度至少103VC/em2。利用高功率、高密度激光束對金屬進行表面處理的方法稱為激光面熱處理。其分為激光相變硬化、激光表面合金化等表面改性，產生其他表面加熱淬火強化達不到的表面成分、組織及性能的改變。

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激光熔覆技術模具表面覆蓋一層薄的具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。H13鋼常規(guī)處理后硬度44HRC，經激光淬火，表面硬度可達772HV(相當于62HRC)，淬硬層深度0．63ram。由于得到以超細化高密度位錯性馬氏體為主的組織，以及激光加熱后自回火過程中析出彌散碳化物，使得淬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高。激光熔覆技術以其加工精度高，熱變形小，后加工量小等特點具有很大的潛在應用價值。

電火花表面強化：電火花表面強化是利用電極與工件間在氣體中產生的火花放電作用，把作為電極的導電材料熔滲進工件表層，形成合金化表面強化層，常用的電極材料有TiC、WC、ZrC和硬質合金等，因電極材料的沉積發(fā)生有規(guī)律的、較小的長大，改善工件的表面物理及化學性能。如硬質合金做電極強化工件，表面硬度可達1，100～1，400HV，強化層與基體結合牢固嗍。

; Q  C3 h, b" t' S7 q; m5．2改變表面化學成分強化
(1)滲碳。
% C2 \! K4 V! Y; ^3 y& L" W滲碳是把鋼置于滲碳介質中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時間，使碳原子滲入鋼表面的表面化學熱處理工藝。滲碳在At3以上(850℃一950℃)進行。其目的使模具的表面在熱處理后碳濃度提高，從而使表層的硬度、耐磨性、接觸疲勞強度較心部有較大的提高，而心部保持一定強度和較高的韌性。有固體滲碳和液體滲碳。

! [" E) A7 D9 N" `) ]# J(2)滲氮。
滲氮在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞極限、熱硬性及抗咬合性等。一般壓鑄模經淬火、回火(45～47HRC)后，必須進行滲氮，氮化層深度為0．15～0．2mm。有氣體滲氮，離子滲氮。H13鋼作擠壓鋁型材的空心模，經1，080℃油淬+560％：x2h兩次回火，硬度48HRC。經過520℃x4h的離子滲氮，模具擠壓的型材從1,000kg提高4,500kg，壽命提高了3倍。

- j6 Y9 ]: w! O+ A- t(3)N—C共滲(軟氮化)。
" U1 I: i& e8 q+ C軟氮化實質是在較低溫下進行的以滲氮為主的碳氮共滲。經軟氮化處理后，可顯著提高表面的疲勞強度及耐磨性、抗咬合、抗擦傷和腐蝕等性能“01。
H13鋼由于滲氮化合物中，相對韌性較低，膨脹系數較大，對熱疲勞性能產生不利影響。在軟氮化時，由于C在8相中溶解度高(550℃時達38％)，軟氮化溫度在565℃以下附近較好。即能保證滲速，又能使￡+1’所需的N濃度較高，可在表層形成￡之前有更多的N滲人基體，這樣在第二階段N原子擴散時，有利于形成合理的擴散層。軟氮化時間以2～4h為宜，超過6h，滲N層不再增加，硬度在2～3h達到最大值。實踐證明比較合理的氣體軟氮化工藝如圖1所示。
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& `/ f5 l- G/ V4 ?, {" V(4)表面滲鋁
滲鋁指鋁在金屬或合金表面擴散滲入的過程。滲鋁目的是提高材料的熱穩(wěn)定性、耐磨性和耐蝕性。對模具表面進行先滲鋁后氧化的方法，使表面生成Fe—A1—0的混合物，以減少粘模的發(fā)生，從而延長模具的壽命。常用滲鋁有3種：固體粉末滲鋁、熱浸鍍鋁、表面噴鍍鋁再擴散退火。

(5)模具滲鉻
; E) z; Z8 s# k滲鉻可提高型腔表明硬度(1,300HV以上)、耐磨性、耐蝕性、疲勞強度和抗高溫氧化性。對承受強烈磨損的模具，可顯著提高使用壽命。滲鉻時，加熱到950℃～1，100℃，保溫5h～10h即可形成一層結合牢固的滲鉻層。滲鉻層厚度一般較小，不影響模具型腔的尺寸。如對壓鑄件的一般形狀及尺寸來說，鋁合金壓鑄模3Cr2W8V，經滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右。

, A6 X% \/ G# Z1 u6 S) w5．3 表面形成覆蓋層強化
氣相沉積技術：氣相沉積技術是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(超硬耐磨或特殊的光學、電學性能)的金屬或化合物涂層的新技術。

化學氣相沉積(CVD)的沉積物由引入高溫沉積區(qū)的氣體離解所產生。CVD處理的模具形狀不受限制，可在含碳量大于0．8％的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、鑄鐵以及硬質合金等表面上進行。在模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝，其覆層硬度高達3,000HV，使模具耐磨性和抗摩擦性能提高。CVD處理后還需要進行淬火回火。采用TiC、TiN的復合涂層，使模具壽命成倍提高。

物理氣相沉積(PVD)鍍鈦加工采用納米涂層的新技術，在模具表面沉積多層多元素金屬薄膜(膜層厚度為l～71a,m)，這層膜具有耐磨損、抗腐蝕，高硬度的功能，由于這層膜不與鋁、鋅等金屬溶液親和或發(fā)生反應，能極大地改善壓鑄件的離模性能而不發(fā)生粘�，F象。在改善液體金屬粘模和熱龜裂方面取得最佳效果，有效解決壓鑄模具碰到的問題，以獲得最優(yōu)的綜合使用性能，解決了傳統工藝所無法解決的問題。
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6、優(yōu)化模具設計及壓鑄工藝
& ^/ c, d/ [8 ]1 n) D8 v- A( `減少模具上尖角、拐角的地方，合理使用材料，規(guī)范加工和熱處理工藝。模具的氮化處理要控制模具的表面硬度HV，>600，氮化層深度達到0．12～0．2mm。正確的預熱模具，優(yōu)化模具以改進內部冷卻，使模具獲得均勻熱平衡效果，使模具維護穩(wěn)定較低的溫度，合理噴涂涂層，涂層對延緩熱疲勞裂紋有重要意義，提高模具壽命和效益。

模具壓力加工是機械制造的重要組成部分，而模具的水平、質量和壽命則與模具表面強化技術息息相關。壓鑄模的工作條件極為復雜和惡劣，影響模具失效的主要是熱疲勞。我國鋁壓鑄模技術有了一定的發(fā)展，但與國外先進水平相比差距很大，其中模具壽命尤為突出。國外可達到8～15萬模次，國產模具壽命一般在4—8萬件之間，平均6萬件，模具壽命短，直接導致生產效率的下降和產品成本的提高。模具工業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平是衡量國家工業(yè)水平及鑄件開發(fā)能力的標志，從而采用延長壓鑄模使用壽命地最佳措施，這將對降低生產成本提高經濟效益具有重要地現實意義。

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