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提高压铸模具寿命的措施
作者:旭东压铸(上海)有限公司
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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) (2012-5-21)
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佳工网友 刘太雄 (Email) 于2013-9-20 10:52:00评论说:
影响压铸模具钢品质的关键工艺
1、国内近来研发生产的高级压铸模具钢品质状况:
残留气体含量、非金属夹杂、带状偏析、共晶碳化物、二次碳化物的分布都已经达到瑞典一胜百8407、8418,德国W1.2344V、EX1的质量水平。
2、影响压铸模具钢品质的关键工艺:
⑴炼钢时控制H 、O 、N含量能有效控制非金属夹杂的类型和尺寸大小,是龟裂的起源点;
⑵带状偏析:是钢锭浇注结晶时形成的一种成份偏析,是影响钢料纵横向机械性能不一致的主要原因。通过锻造配合高温均质化热加工工艺可以去除;
⑶共晶碳化物:是压铸模具钢龟裂失效的原因之一,通过锻造配合高温均扩散工艺可以给予消除‘
⑷二次碳化物:钢料退火后要避免形成碳化物网,最新工艺试验显示,钢锭锻造完成后可以通过均细化工艺是二次碳化物呈弥散分布。。。。(电话:13828842921)


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