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(chǎn)效益高,、節(jié)省原材料,、降低生產(chǎn)成本,、鑄件性能好,、精度高等特點,，得到廣泛應(yīng)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(guān)注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護，汽車輕量化是實現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)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(dǎo)熱性及良好的耐磨性,、耐蝕性,、高溫力學(xué)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(yīng)用仍然很難滿足,，必須將各種表面處理技術(shù)應(yīng)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。

7 z6 g- c" |( [9 X4 U- A# `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(fù)加熱和冷卻以及金屬液流動的高速沖刷而產(chǎn)生的磨損和腐蝕,，并被反復(fù)加熱、冷卻,，加工環(huán)境較惡劣,。據(jù)失效形式統(tǒng)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,。
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5 b: t7 a+ K8 e2 e8 K1 ?2．1 疲勞裂紋
) ~. Q; w' M, Z. F: u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(dǎo)致的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交變循環(huán),，反復(fù)經(jīng)受急冷、急熱所造成的熱應(yīng)力,，導(dǎo)致在型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處逐漸產(chǎn)生微裂紋,，其形貌多數(shù)呈現(xiàn)網(wǎng)狀，稱龜裂,，也有呈放射狀,。熱應(yīng)力使熱疲勞裂紋繼續(xù)擴展成宏觀裂紋。從而導(dǎo)致壓鑄模失效,。熱疲勞裂紋是熱循環(huán)應(yīng)力,、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用而產(chǎn)生的。塑性應(yīng)變促進裂紋的形成,，拉伸應(yīng)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(yīng)選鋼質(zhì)潔凈,、顯微組織均勻的優(yōu)質(zhì)模具鋼有較高的熱疲勞抗力。
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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(dǎo)致壓鑄模災(zāi)難性斷裂,。材料斷裂時所達到的應(yīng)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(yīng)力集中,，使裂紋尖端處的應(yīng)力比平均應(yīng)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(yīng)的最重要的力學(xué)性能,。模具鋼中夾雜物減少,，韌性明顯提高，在生產(chǎn)中整體脆裂的情況較少發(fā)生,。
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# S: u& J* Q. ~9 Q0 B+ G; i$ r2．3 溶蝕或沖蝕
* M% k& e  V0 \% s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(chǎn)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(dǎo)致型腔軟化,，產(chǎn)生塑性變形和早期磨損,。在填充過程中，熔液產(chǎn)生湍流導(dǎo)致的空蝕效應(yīng)或熔液中的微小顆粒產(chǎn)生的沖刷,，高溫金屬液中雜質(zhì)和熔渣對模腔表面產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)變化,，產(chǎn)生化學(xué)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(xué)磨損綜合作用的結(jié)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(xué)穩(wěn)定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。

; A+ A2 t" N  f" B3,、影響熱疲勞的因素
1 `* V6 Z6 ]" U( Q+ k3 [
& g* u) }) D5 f2 f6 R3．1 模具溫度影響
# o$ j( x: R" F2 ^0 V, e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(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力。每次壓鑄前在模具內(nèi)噴潤滑劑進行急冷,，模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,，這種交變熱應(yīng)力在超過模面的屈服強度時在表面產(chǎn)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。

/ {! V) M2 p& [% m; e; g2 |) W: X0 z1 q3．2 材料基本特性
" }& m; @4 V; l1 r+ h* ^+ \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：
5 `$ d/ o+ I* }; w(1)抗熱疲勞和抗熱沖擊性能好,，不易產(chǎn)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,。
$ F& a7 r0 u  R- k- s/ f$ s(3)良好的熱硬性、熱強性,，淬透性,，耐磨性和高溫抗氧性。
(4)熱處理變形小,，熱膨脹系數(shù)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(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚�,，其使用壽命可達到相當高的水平,，現(xiàn)已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應(yīng)用，國外90％以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造,。模具材質(zhì)控制很重要,。壓鑄模用的H13鋼必需是鋼質(zhì)潔凈，組織均勻,，偏析輕微,，等向性好的優(yōu)質(zhì)鋼。國外優(yōu)質(zhì)H13鋼的生產(chǎn)過程中采用了一系列先進工藝技術(shù),，如通過真空除氣,、電渣重熔等精煉技術(shù)提高潔凈度，再通過多向扎制或反復(fù)墩鍛及采用超細化處理技術(shù),，使H13鋼具有優(yōu)良的內(nèi)在質(zhì)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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" b$ r# e+ `: I. B/ S. h4,、壓鑄模熱處理流程
2 `9 t8 S1 {. N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(jīng)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(nèi)應(yīng)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(zhì)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(jīng)濟的方法,。通過調(diào)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(shù)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(xué)成分，有激光相變硬化等,；②改變表面化學(xué)成分,，滲氮等；③表面形成覆蓋層,，氣相沉積技術(shù)處理等,。

5．1 不改變表面化學(xué)成分強化
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(chǎn)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(shù)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(jīng)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(shù)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(yīng)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(chǎn)生的火花放電作用,，把作為電極的導(dǎo)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(zhì)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(xué)性能。如硬質(zhì)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(jié)合牢固嗍,。

$ U+ t2 t( x' I9 Q  J5．2改變表面化學(xué)成分強化
  D& ^! V0 z8 w; L- y! O3 B(1)滲碳。
) U+ q$ a6 T, t- Y' o( t滲碳是把鋼置于滲碳介質(zhì)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(xué)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,。
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( d& i( {& U! B7 r* N(2)滲氮,。
( M6 A$ u) V1 l0 b* g; t- }滲氮在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)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(jīng)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(jīng)1，080℃油淬+560％：x2h兩次回火,，硬度48HRC,。經(jīng)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,。
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(3)N—C共滲(軟氮化)。
- M! t! `+ c/ m" c8 W軟氮化實質(zhì)是在較低溫下進行的以滲氮為主的碳氮共滲,。經(jīng)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,。
& y) }/ X! P& G- V  DH13鋼由于滲氮化合物中，相對韌性較低,，膨脹系數(shù)較大,，對熱疲勞性能產(chǎn)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,。


(4)表面滲鋁
! z3 C$ @! o" b, X* T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
9 q8 k* q% V9 f9 p+ u! [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(jié)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(jīng)滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右,。
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. [7 O! M6 S6 r% r5．3 表面形成覆蓋層強化
' I6 K  u- M( a' a+ i氣相沉積技術(shù)：氣相沉積技術(shù)是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)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(xué)、電學(xué)性能)的金屬或化合物涂層的新技術(shù),。

化學(xué)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(chǎn)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(zhì)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(fù)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(shù)，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(yīng)，能極大地改善壓鑄件的離模性能而不發(fā)生粘�,，F(xiàn)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(tǒng)工藝所無法解決的問題。

2 I1 o, d2 e) D' c; `6,、優(yōu)化模具設(shè)計及壓鑄工藝
9 c) S* m9 \7 g4 h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(yù)熱模具，優(yōu)化模具以改進內(nèi)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(zhì)量和壽命則與模具表面強化技術(shù)息息相關(guān),。壓鑄模的工作條件極為復(fù)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(shù)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(chǎn)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(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降和產(chǎn)品成本的提高,。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)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(chǎn)成本提高經(jīng)濟效益具有重要地現(xiàn)實意義,。

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