提高压铸模具寿命的措施

作者：旭东压铸(上海)有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 4 铸造模具/压铸模具展厅 压铸模具, ... 致使压铸模失效的主要原因是：①热胀冷缩的交变应力，长期频繁的反复循环，在模具表面出现热疲劳龟裂纹；②由于热应力及机械应力引起的模具整体开裂、破损；③在压射力和热应力的作用下，模具会在强度最薄弱处萌生裂纹，使型腔碎裂；④化学腐蚀、机械磨损、冲刷侵蚀、熔损侵蚀造成的模具侵蚀；⑤受到锁模、插芯压力和充填压力作用使模具产生的塑性变形。这些模具失效缺陷出现的原因是复杂多样的，下边从实际应用方面探讨一些提高压铸模具寿命的措施。 1 压铸模具材料的选用 为提高热冲击韧度，目前常用的H13钢的化学成分纯净度要求为：优级钢S 含量(质量分数，下同)要小于0.005％；超级H13 钢要求S 含量小于0.003％；P含量小于0.015％。钢的晶界无共晶碳化物夹杂，大块状的共晶碳化物和杂质强度极小，不能抵抗热疲劳，降低了钢材的塑性，是龟裂发生的起源点。要使用电渣重熔炉的精炼钢，它不仅纯净度高，还具有组织致密、优良的热疲劳抗力、抗热裂性好、优良的韧性及塑性，优良的抛光性、较好的异向同性等性能。钢材的均一性要求材料的组织要均匀，钢坯具备任意方向力学性能同性，不要有纵、横、深方向的性能差异。 正确选用模具材料，采用高强度合金材料可以提高模具使用寿命。优选用瑞典8407、德国2344、美国H13 (4Gr5MoVlSi)、日本SKD61 材料。日本日立的DAC55、ZHD435 在高硬度时有很好的韧性及抗高温强度，模具寿命也很高。 2 压铸模具的热处理 采用不同的热处理工艺会使压铸模品质性能不一样。H13 模具钢的热处理工艺和热处理后的金相组织应参照北美压铸学会(NADCA 207—2003)的规定。建议由模具钢材生产商负责模具的热处理，避免因为材料和热处理的厂家不同而引起品质不同。 H13 钢采用高压液氮气冷高真空炉淬火为好，可以有效防止模具表面的脱碳、氧化、变形和开裂。把淬火温度升高到1020～1050℃，根据模块材料的尺寸大小，和各个零部件要求的强度和韧性，适当控制温度和保温时间，使合金碳化物充分溶人奥氏体，这样可以减少模具因热处理碳化物溶解不充分，残留在晶界之间而造成的模具龟裂。但要注意钢的临界点Acl和Ac3及保温时间，防止奥氏体粗化。淬火后用不同温度分3 次回火，特别注意回火的效果，如果还要进行氮化处理，可以减少一次回火处理。 模具加工时产生的切削应力、电火花放电变质层的应力、和压铸时产生的热疲劳应力，可以通过退火来减轻或消除。模具应定期退火处理消除应力：第一次去应力退火应安排在淬火之前(退火温度700～750℃)，第二次去应力退火应安排在试模合格后的量产之前，再在压铸1 万模、3 万模时各退火处理一次，氮化一次可以代替一次退火处理。对H13 钢退火消除应力的温度比淬火时最后一次回火的温度低20～40℃，保温时间为1.0～1.5 h。 合理选择模具的硬度(HRC)，美国AISI H13 ESR类材料用于压铸模具，如果硬度偏低，易出现粘模和早期龟裂，如果硬度太高又可能开裂，所以一般建议：锌合金压铸模硬度(HRC)为47～52；中、小型的铝、镁合金压铸模为46～48；尺寸大的铝、镁合金铸件和比较厚或形状复杂件的模具，应适当降低硬度(HRC)为44~46。日立的DAC55、ZHD435 及一胜百的DIEVAR钢在高硬度时有很好的韧性及高温强度，应用时硬度(HRC)可以比H13 提高2～4。 对压铸模的型腔表面容易出现粘模的部位和所有的型芯，应选用氮化、碳氮共渗等表面强化处理，以减少粘模或侵蚀。目前使用日本的KANUC 处理的比较多。如需氮化，型面的氮化层总深度应低于0.2～0.3mm，应根据铸件壁厚由厚到薄控制在0.04～0.08mm，且应无化合物白亮层，防止过厚的白亮层碎裂后引起模具龟裂。对容易粘模部位的零件，可以每压铸1～2 万模进行一次氮化等表面处理。当模具压铸8～10 万模次之后，由于硬度降低容易出现粘模时，也可以进行氮化处理。每次退火和氮化之前、后都要对模具表面进行抛光处理。为防止模具型腔在量产之前出现氧化锈蚀，在试模合格后，应对模具进行530～560℃保温1.5～2.0 h 的预氧化热处理。 3 压铸模具的设计 压铸件壁厚应尽量均匀(一般小件厚度为2.5±1mm，中件厚度为3.0±1 mm，大件厚度为4.0±1mm)，棱角过渡要有圆角或斜坡以减小应力集中，可使用筋条结构消除铸件形成的热节。过厚的压铸件内部组织晶粒粗大，会形成气孔、缩松、氧化、内部裂纹，并伴随有应力源产生，以致其强度和耐用性能会低于加强筋辅助结构形成的产品。 模具的易龟裂部位和易损伤部位尽量采取镶件结构，损坏后便于维修和更换。但成型零件上的镶拼孔，包括型芯孔至模具的边缘或附近的另一孔的距离不要太小，并且镶拼孔的内角要有较大的圆倒角，以免成为模具早期龟裂的薄弱部位。 提高模具设计刚性，要分析模具型腔各个部位的受力情况。型腔受到的力有合金液充填时的压力、胀型力、冲击力，还有脱模时的拉力、摩擦力，温度高低变化产生的热应力，开合模、抽插芯时受到的压力、拉力、预紧力等。设计时要使模具中各组件、各部位都具有足够的厚度、宽度，使模具有足够的刚性以承受各种应力。还要使这些受力达到适当的平衡(这一点很重要)，以防止模具变形、开裂。制造时注意模具的细薄截面、模块的凹角根部是模具出现断裂的敏感部位，要保证其配合精度，如果模块配合的预紧力过大，它会把合模力集中到一点上，这是模具出现大面积断裂的主要因素。 为了较好的预防模具出现整体变形。正确设计模具型腔的受力中心位置，使其尽量靠近压铸机的受力中心。动模背后的两个垫块要尽量支撑在模具的型腔镶块上，不要只支撑在型腔镶块外的套板上；动模背后中间的支撑柱或支撑块的支撑面积要足够大，否则会使支撑块的端面(甚至使压铸机的模具安装板面)，容易被压变形而失去支撑的效果。 模具上有凹角的部位容易产生应力集中。产品转角处尽量要有较大的过渡圆角，避免出现窄而深的凹角、凹槽。铝、镁合金压铸模具的型腔转角半径应大于1.0 mm，表面粗糙度要小，避免圆角处早期开裂。在内浇口附近，尽量加大圆角半径，能够较好的延缓模具早期龟裂纹的出现。合理选用镶块、活动滑块组合结构，避免模块上出现较锐的尖角；并使镶拼接触密封面的结合面积要比较大，要使滑块出现退让时，也不会出现铝水从密封面窜入到滑块的导滑槽里；为防止运动卡滞，滑块的侧面使用斜面配合。 正确设计浇注系统，设计内浇口的位置和充填流向时，尽量防止高速充填的铝水正面喷射冲击到型壁或型芯。设计内浇口截面大小时，如果选用的压射充填速度太高，有大量的动能减速后转变成热能传递到模具上，使模具温度升高，促使模具出现粘模、龟裂、冲蚀缺陷。压铸铝水的最大充填速度不应超过56m/s，充填速度以≤46 m/s 为好。设计内浇口的厚度时，在保证产品表面品质的情况下，还是选用厚而大一点的内浇口为好，这样可以增加流量，又不增加对模具的冲击力。 要正确选择各组件的配合公差和表面粗糙度，因模具受热不均匀和膨胀不均匀，会使配合公差产生变化，会使部件运动失灵而导致模具表面损伤，也会使动、定模套板之间的合模间隙增加，引起飞边和飞料。为防止飞料，在分型面上，动、定模型腔镶块平面应比动定模套板平面略高，一般在0～0.080 mm 范围内，特别要求紧密合模后，动、定模套板的间隙要在0.030～0.100mm 范围内。在套板上的排气道最浅处的深度为0.12～0.15 mm，它一定要包括合模后动、定模套板的间隙。只有这样才能防止飞边、飞料和粘模。尽量让套板各部位的分型面与模块的分型面一致，从模块到套板一样平齐，减少分型面的台阶，便于排气和防止飞边粘模。 尽量不要在内浇口附近的型腔平面上设置产品的字样、标记和顶杆。这些都会引起模具过早的龟裂，也会使字样标记过早的变得不清晰。 尽量利用-Q2图，使模具能够很好的与压铸机进行匹配，提高产品的合格率和生产效率，延长模具的使用寿命。 4 压铸模具的冷却和加热系统的设计 为了能够调控模具温度，防止模具变形和龟裂，一定要给模具设计冷却、加热温控系统。通常在模具模块的内部开设(6～12)mm孔径的管道，在型芯和模块中开设(3～12)mm 冷却孔，通水进行冷却，通热油进行加热。在没有模温机的压铸厂，也可以使用电加热管(要控制发热温度≤400℃) 和测温仪置λ模具，进行自动加热来预热模具。 在型腔模块的背面，加工出(6～8)mm 的孔，此孔要距离型腔表面(25±5)mm，要距离冷却水或加热油通道在50 mm 以上，插入热电偶连接在压铸机的测温仪器上。 在模具的横浇道、分支浇道、内浇口附近，在铸件厚壁处的型腔、型芯等模具吸收热量比较多的部位要通水冷却。对薄壁处的型腔，对远离内浇口的滑块抽芯，和模具型腔的一些吸收热量少、散热快的部位，要设计用热油或用电加热管加热模具。一般通入的热油温度为200～350℃。注意模具的冷却水通道距离模具表面或模具转角要有足够的距离，以避免这些部位的型面出现早期龟裂或开裂。 模具每个进水管接头要有开关，能控制冷却水的流量，以便调节模具各部位的温度。冷却水管道里出现的锈蚀和集垢，会影响模具的冷却效果，要及时清除。模具外接的管道和接头建议使用铜材和不锈钢材质，以防生锈后堵塞管道。 5 压铸模具的制造加工对模具寿命的影响 模具制造的尺寸精度和配合精度要高，密封接触的配合面，必须密封配合，密封接触的面积要大，防止铝液钻入。尽量避免人为因素造成的烧焊修补处理，因模具烧焊修补过的部位，很容易出现龟裂。 电脉冲放电加工后的型腔表面会产生出一个变质层，这一层的化学成分、金相组织、力学性能( 强度、硬度、韧性) 等都发生了改变，变质层又硬又脆，并有应力和大量的微裂纹，会引起模具早期龟裂；电脉冲或线切割放电精细加工时，应尽量采用低的电流及高的频率，以减小模具表面的过烧深度。使用好的电火花专用油液，可以起到冲洗、冷却、润滑、绝缘、防电离和减轻变质层的作用。放电时浸油比冲油能更好地减轻变质层。无论变质层深浅，它在模具表面均有极大的应力，若不消除其白亮层和残余应力，在使用过程中，模具表面就会较早的产生龟裂、冲蚀和开裂。 模具型腔精加工时，走刀量要小，不要留下刀痕，必要时需留下打磨抛光的余量。模具型腔的所有表面，即使没有留下加工刀痕的表面，都要进行一次打磨抛光，用以消除刀具加工或放电加工产生的硬化层和白亮层。但要注意，打磨时不要让模具局部过热，以防烧伤模具表面和降低模具的硬度。消除硬化层、白亮层和去除应力的方法有：①用油石打磨、研磨抛光、化学溶蚀去除；②喷玻璃丸的方法既可以去除表面熔化凝固层，消除残余拉应力，还可以形成压应力，是目前延缓龟裂的好方法；③在不降低硬度的情况下，低温回火也可大幅度降低模具的表面应力。模具型腔表面抛光时，粗糙度要以产品而定：①薄壁、表面要求光亮的产品表面位置，型腔表面要适当抛光，表面粗糙度Ra 为0.2～0.4μm；②厚壁、表面要求一般的产品表面处，型腔表面可抛光，表面粗糙度Ra 为0.4～0.8μm；③一般不要求抛光为镜面，要使脱模剂能在模具表面均匀附着，但刀痕一定要抛光，以免模具过早的出现龟裂；④要注意交叉打磨，模具表面打磨过的痕迹，不要有明显的打磨方向。 6 压铸工艺和生产操作对压铸模具寿命的影响 增加压铸铝合金中的铁含量，可以有效地减轻粘模程度，一般要求铝合金的铁含量≤1.5％，实际生产中铝水的铁含量控制在0.65％～0.90％范围内为好。在压铸过程中铝液温度波动应在±10℃之内，ADCl2铝合金春、秋季浇注温度建议小于660℃，冬、夏季温度可以上下变化10℃，这样可以消除季节性的缺陷。模具内浇口附近容易龟裂、侵蚀，远离内浇口的部位不容易龟裂、侵蚀，这主要是因为在内浇口附近，高温的铝水传递给模具的热量比较多，致使模具温度比较高。所以在不影响产品品质的前提下，应尽量降低铝水的浇注温度。 在满足成形情形下，尽量使用比较低的低速压射速度和高速压射速度。充填速度过高会造成粘模、冲蚀、龟裂；当低速压射速度较高使金属液包裹较多的气体时，气体在高速压射进入型腔中的低压区会膨胀，气体膨胀产生爆破，气体带动铝液以很高的速度冲击、侵蚀型腔表面，造成型腔表面气蚀缺损(这种气蚀在溢流槽浇口处也会出现)，被气蚀的表面也会有裂纹产生。 在满足成形良好的条件下，尽可能选用较小的压力。可以观察壳形和圆形产品，在模具压铸几万模之后，在产品同一部位的外表面比内表面龟裂纹大出很多，这说明在相同的条件之下，模具受到铝液包裹挤压与膨胀拉伸的力量方向不同，致使模具出现龟裂的缺陷大小相差很大；特别是在模具型腔的凹角处，拉伸和热应力都会集中在这里，凹角处会过早的出现龟裂和开裂裂纹；而在模具的凸角和型芯表面受到挤压和热冲击力，虽然会出现粘模，但出现应力集中情况很小，模具不容易出现龟裂。可见铝液压力的大小和受力方向对模具龟裂的影响是很大的，有时为了配套不容易出现龟裂模块的寿命，可以采用比较好的模具材料或热处理的方法，来提高容易龟裂模块的寿命。 压铸时模具表面温度由100℃上升到610℃，比200℃上升到610℃容易引起龟裂，表面温度由200℃上升到680℃，比200℃上升到610℃更容易引起龟裂；模具在500℃以上保持6 s比保持3 s也是更容易引起龟裂，所以一定要使模具承受的温度低、温差变化量比较小、处于高温的时间短。一般产品压铸开模后的2～3 s时测量模具表面的温度(或用热电偶测量模具内部温度) 应不高于浇注的合金液温度的40％～45％，即铝合金模具温度应小于320℃，以200～280℃为好。合模时模具表面的温度应不低于合金浇注温度的20％，一般以130～210℃为好。 压铸铝合金模具预热至180～300℃再浇注压射，比用铝液直接浇注压射来预热模具，能延缓模具表面龟裂纹的出现。因为用铝液直接浇注压射来预热模具，模具表面承受到的温度差比较大。模具预热后压铸的前10～20 模铸件，要使用低速压射，以减小铝液与模具接触的紧密程度，降低热量传递给模具的速度，达到缓慢加热的目的。 压铸操作时均匀喷涂脱模剂，可以减轻铝液对模具的粘模和磨损。为了防止脱模剂对模具激冷，冬天对水基脱模剂要预热到20～30℃为好。喷脱模剂要形成雾状，喷嘴应距型面(20±10)cm，斜向模面角度15°±5°的效果最好。不可喷涂过多脱模剂，喷涂时间控制在0.5～2.5 s 之间；禁止喷洒、浇灌式的喷涂，以防对模具表面急速的激冷。可以采用动、定模多次交换喷涂的方法，以减小激冷的速度。另外，铸件顶出后，要在顶杆头部喷涂上涂料得到润滑之后再退回，以防顶杆运动卡滞。 对许多模具，常用喷玻璃丸、陶瓷丸或用微电脉冲打磨加粗模具某些部位的粗糙度，甚至在模具表面修出间隔在0.5～1.5 mm细小的网状筋条。这样不仅能防止龟裂延长模具寿命，还能减小铝液的流动速度，消除产品表面的冷隔和花纹；能提高模具表面的吸热速度，使产品表面急速凝固，又因模具表面快速吸热增加了模具表面的温度，加快涂料和水的挥发，消除水的残留，能防止铸件出现气泡和发黑。 7 压铸模的使用和维护保养 模具在安装时，动、定模每半模至少要安装6 个压板螺栓，如果每半模只安装4 个压板螺栓，只要有一个螺栓松动，其他3 个螺栓受力严重失衡，螺栓就会很快被拉变形或拉断，甚至会出现模具被拉而掉下来的事故。 压铸过程中，要及时打磨抛光模具型腔的粘模痕迹，但要注意不要用硬的工具凿伤或敲伤模具。当模具型腔表面粗糙度变大后，要进行很好的抛光处理。当产品全部或部分粘模在模具型腔里时，要由有经验的模具修理人员来处理，以防压铸工处理时损坏模具。 每班给模具滑块、导柱、顶杆涂一次润滑油，每班检查疏通模具的冷却水通道，使其畅通和密封。每班观察模具的分型面和滑块的密封配合情况，对模具的飞边和披缝一定要早发现、早修理，以防其致使模具出现严重的压伤、凹陷、变形及飞料的缺陷。 当模具停产不使用时，最好在压铸最后一模之后，不要给模具再喷刷涂料，如果已经喷涂了涂料，也要用压缩空气吹干净模具表面和深腔里的残留水分，以防模具生锈。每批生产完成后，或在每生产一万模时，要对模具进行维护保养。每次保养时，需涂红丹粉检查模具的变形和密封配合情况，消除间隙防止飞料，消除模块或滑块受力不均衡，防止模块压坏、爆裂。保养后要给模具型腔、抽芯滑块、顶杆、导柱，分型面等涂防锈油。 模具已经出现小范围的冲蚀、掉块、缺损、裂纹缺陷后，在不能做成镶件更换时，只有给模具用氩弧焊修补。为有效地防止压铸模具焊补后容易出现龟裂，焊补时首先要选用模具钢材制造厂家指定使用的氩弧焊焊条，并注意区分在模具淬火处理前后使用的焊条规格有可能不一样。对模具进行氩弧焊之前，先要把模具龟裂等缺陷修磨掉呈现出金属基体，使用电热炉预热模块达到300～450℃(若使用乙炔氧焊的火焰慢慢烘烤预热模具，由于预热的范围小，不一定达到要求的温度范围，温度也不均匀，对防止焊补后出现龟裂没有明显的效果。)并把表面清理干净之后再进行氩弧焊，防止焊补时出现气孔；当模具温度高于475℃时要停止焊补，让模具降温后再焊；焊接时注意，一定要隔行焊补，不要一行挨一行焊补，这样可以较好的降低焊接时产生的升温和应力。淬火之后的焊补，再在低于淬火回火温度以下20～50℃，保温2～3h 去应力退火(淬火之前的焊补，退火温度是750℃)这样可以很好的消除焊接时产生的应力。 对于模具表面粘附的涂料烧结集碳，除用油石和砂纸抛光外，用气动喷投玻璃丸或喷陶瓷丸的方法，不仅能均匀有效的清除掉集碳，还不影响模具的尺寸精度。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2012)