延长金属压铸模具使用寿命的方式

周升霞66

金属压铸是先进的少、无切削工艺，具有生产效益高、节省原材料、降低生产成本、铸件性能好、精度高等特点，得到广泛应用。其中压铸铸件最大的市场是汽车工业，随着人类更加关注可持续发展和环境保护，汽车轻量化是实现高效、安全、节能、舒适、环保的最佳途径。用铝合金代替传统钢铁制造汽车，可使整车重量减轻30％左右。

由于压铸模具是在高压(30～150MPa)下将400～1，6000C的熔融金属压铸成型。成型过程中，模具周期性地经加热和冷却，且受到高速喷人的灼热金属冲刷和腐蚀。模具用料要求有较高的热疲劳抗力、导热性及良好的耐磨性、耐蚀性、高温力学性能。要满足不断提高的使用性能需求仅仅靠模具材料的应用仍然很难满足，必须将各种表面处理技术应用到压铸模具的表面处理当中才能达到对压铸模具高效率、高精度和高寿命的要求。


2、压铸模失效形式
压铸模工作时与高温的液体金属接触，不仅受热时间长，而且受热的温度比锻模还高，压铸有色金属的温度300～800℃，压铸黑色金属的温度达1000℃以上。还承受了很高的压力30～150MPa，受到反复加热和冷却以及金属液流动的高速冲刷而产生的磨损和腐蚀，并被反复加热、冷却，加工环境较恶劣。据失效形式统计，用3Cr2W8V作压铸模材料，65％是热疲劳，15％是开裂，6％是磨耗，4％是冲蚀失效。

2．1 疲劳裂纹
热疲劳裂纹是压铸模最常见的失效形式，占失效比例大。压铸过程中压铸模在300～8000C的热循环及脱模剂导致的拉应力与压应力交变循环，反复经受急冷、急热所造成的热应力，导致在型腔表面或内部热应力集中处逐渐产生微裂纹，其形貌多数呈现网状，称龟裂，也有呈放射状。热应力使热疲劳裂纹继续扩展成宏观裂纹。从而导致压铸模失效。热疲劳裂纹是热循环应力、拉伸应力和塑性应变共同作用而产生的。塑性应变促进裂纹的形成，拉伸应力促进裂纹的扩展与延伸。从微观分析，热疲劳裂纹在晶界碳化物、夹杂物集中区萌生，应选钢质洁净、显微组织均匀的优质模具钢有较高的热疲劳抗力。

2．2 整体脆性开裂
整体脆性开裂是由于偶然的机械过载或热过载而导致压铸模灾难性断裂。材料断裂时所达到的应力值一般都远低于材料的理论强度，由于微裂纹的存在，受力后将引起应力集中，使裂纹尖端处的应力比平均应力高得多。压铸模脆性开裂引起的原因很多，而材料的塑韧性是箱对应的最重要的力学性能。模具钢中夹杂物减少，韧性明显提高，在生产中整体脆裂的情况较少发生。

2．3 溶蚀或冲蚀
熔融的金属液以高压、高速进入型腔。对压铸模成型零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀，高温使压铸模硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损。在填充过程中，熔液产生湍流导致的空蚀效应或熔液中的微小颗粒产生的冲刷，高温金属液中杂质和熔渣对模腔表面产生复杂的化学变化，产生化学腐蚀，熔融金属液逸出气泡使型腔发生气蚀，这种机械和化学磨损综合作用的结果都在加速表面的腐蚀和裂纹的生成。提高模具材料的高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗侵蚀能力。

3、影响热疲劳的因素

3．1 模具温度影响
压铸时速度很高，压力很大，模具表面受到很强的冲击负载，模具表面接触高温熔体，其温度最高8700C，在这样高温急热下，模具表面产生压缩热应力。每次压铸前在模具内喷润滑剂进行急冷，模具表面产生拉应力，这种交变热应力在超过模面的屈服强度时在表面产生热疲劳微裂纹，急剧扩散，向心部扩散形成龟裂。将引起铸件拉伤及粘模，严重的造成模具早期开裂。

3．2 材料基本特性
压铸在急热急冷的压铸环境下工作，对压铸模材料有以下要求：
(1)抗热疲劳和抗热冲击性能好，不易产生裂纹。
(2)韧性和延展性好，改善模具尖角和凸出部分的抗冲撞击能力。
(3)良好的热硬性、热强性，淬透性，耐磨性和高温抗氧性。
(4)热处理变形小，热膨胀系数小等等。常用于压铸模的以铬、钨和钼为主的热作模具钢3Cr2W8V和H13钢(4Cr5MoSiVl)。目前，使用压铸模多用H13钢，是以合金元素铬为主的热作模具钢，具有良好的韧性、热疲劳抗力和抗氧化性，经过适当的表面处理，其使用寿命可达到相当高的水平，现已成为成熟的压铸模具钢获得广泛应用，国外90％以上的压铸型腔模都是由H13钢制造。模具材质控制很重要。压铸模用的H13钢必需是钢质洁净，组织均匀，偏析轻微，等向性好的优质钢。国外优质H13钢的生产过程中采用了一系列先进工艺技术，如通过真空除气、电渣重熔等精炼技术提高洁净度，再通过多向扎制或反复墩锻及采用超细化处理技术，使H13钢具有优良的内在质量。运用先进冶炼工艺提供更多的高纯度压铸模具钢，是今后的方向。

4、压铸模热处理流程
通过热处理可以改变材料的金相组织，以保证必要的强度和硬度、高温下尺寸的稳定性，抗热疲劳性能和材料的切削性能等。经过热处理后的零件要求变形量少，无裂纹和尽量减少残余内应力的存在。目前压铸模一般采用真空气体淬火，表面没有氧化物，模具变形小，更好保证模具质量，其流程为锻造_球化退火_粗加工一稳定化处理_精加工_最终热处理(淬火、回火)_钳修_抛光_+渗氮(或碳氮共渗)_精磨或精研_装配。对H13钢采用高温淬火、双重淬火、控制冷却速度淬火、深冷处理等，从而改善模具性能，提高模具寿命。

5、压铸模表面强化处理
对模具进行表面处理是延长模具寿命的最有效、最经济的方法。通过调整一般热处理工艺改善钢的强度和韧性。采用不同的表面强化处理工艺，以适宜的心部性能相配合，可赋予模具表面以高硬度、耐磨耐蚀、抗咬合和低摩擦系数等许多优良性能，使模具寿命提高几倍甚至几十倍。模具表面强化主要有3类：①不改变表面化学成分，有激光相变硬化等；②改变表面化学成分，渗氮等；③表面形成覆盖层，气相沉积技术处理等。

5．1 不改变表面化学成分强化
激光强化处理：激光作为热源对材料表面进行强化，有相变硬化、表面溶化、表面涂覆等。其特征是供给材料表面功率密度至少103VC/em2。利用高功率、高密度激光束对金属进行表面处理的方法称为激光面热处理。其分为激光相变硬化、激光表面合金化等表面改性，产生其他表面加热淬火强化达不到的表面成分、组织及性能的改变。

激光熔覆技术模具表面覆盖一层薄的具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。H13钢常规处理后硬度44HRC，经激光淬火，表面硬度可达772HV(相当于62HRC)，淬硬层深度0．63ram。由于得到以超细化高密度位错性马氏体为主的组织，以及激光加热后自回火过程中析出弥散碳化物，使得淬层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高。激光熔覆技术以其加工精度高，热变形小，后加工量小等特点具有很大的潜在应用价值。

电火花表面强化：电火花表面强化是利用电极与工件间在气体中产生的火花放电作用，把作为电极的导电材料熔渗进工件表层，形成合金化表面强化层，常用的电极材料有TiC、WC、ZrC和硬质合金等，因电极材料的沉积发生有规律的、较小的长大，改善工件的表面物理及化学性能。如硬质合金做电极强化工件，表面硬度可达1，100～1，400HV，强化层与基体结合牢固嗍。

5．2改变表面化学成分强化
(1)渗碳。
渗碳是把钢置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表面的表面化学热处理工艺。渗碳在At3以上(850℃一950℃)进行。其目的使模具的表面在热处理后碳浓度提高，从而使表层的硬度、耐磨性、接触疲劳强度较心部有较大的提高，而心部保持一定强度和较高的韧性。有固体渗碳和液体渗碳。

(2)渗氮。
渗氮在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳极限、热硬性及抗咬合性等。一般压铸模经淬火、回火(45～47HRC)后，必须进行渗氮，氮化层深度为0．15～0．2mm。有气体渗氮，离子渗氮。H13钢作挤压铝型材的空心模，经1，080℃油淬+560％：x2h两次回火，硬度48HRC。经过520℃x4h的离子渗氮，模具挤压的型材从1,000kg提高4,500kg，寿命提高了3倍。

(3)N—C共渗(软氮化)。
软氮化实质是在较低温下进行的以渗氮为主的碳氮共渗。经软氮化处理后，可显著提高表面的疲劳强度及耐磨性、抗咬合、抗擦伤和腐蚀等性能“01。
H13钢由于渗氮化合物中，相对韧性较低，膨胀系数较大，对热疲劳性能产生不利影响。在软氮化时，由于C在8相中溶解度高(550℃时达38％)，软氮化温度在565℃以下附近较好。即能保证渗速，又能使￡+1’所需的N浓度较高，可在表层形成￡之前有更多的N渗人基体，这样在第二阶段N原子扩散时，有利于形成合理的扩散层。软氮化时间以2～4h为宜，超过6h，渗N层不再增加，硬度在2～3h达到最大值。实践证明比较合理的气体软氮化工艺如图1所示。

(4)表面渗铝
渗铝指铝在金属或合金表面扩散渗入的过程。渗铝目的是提高材料的热稳定性、耐磨性和耐蚀性。对模具表面进行先渗铝后氧化的方法，使表面生成Fe—A1—0的混合物，以减少粘模的发生，从而延长模具的寿命。常用渗铝有3种：固体粉末渗铝、热浸镀铝、表面喷镀铝再扩散退火。

(5)模具渗铬
渗铬可提高型腔表明硬度(1,300HV以上)、耐磨性、耐蚀性、疲劳强度和抗高温氧化性。对承受强烈磨损的模具，可显著提高使用寿命。渗铬时，加热到950℃～1，100℃，保温5h～10h即可形成一层结合牢固的渗铬层。渗铬层厚度一般较小，不影响模具型腔的尺寸。如对压铸件的一般形状及尺寸来说，铝合金压铸模3Cr2W8V，经渗铬后的使用寿命可提高10倍左右。

5．3 表面形成覆盖层强化
气相沉积技术：气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(超硬耐磨或特殊的光学、电学性能)的金属或化合物涂层的新技术。

化学气相沉积(CVD)的沉积物由引入高温沉积区的气体离解所产生。CVD处理的模具形状不受限制，可在含碳量大于0．8％的工具钢、渗碳钢、高速钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。在模具上涂覆TiC、TiN覆层的工艺，其覆层硬度高达3,000HV，使模具耐磨性和抗摩擦性能提高。CVD处理后还需要进行淬火回火。采用TiC、TiN的复合涂层，使模具寿命成倍提高。

物理气相沉积(PVD)镀钛加工采用纳米涂层的新技术，在模具表面沉积多层多元素金属薄膜(膜层厚度为l～71a,m)，这层膜具有耐磨损、抗腐蚀，高硬度的功能，由于这层膜不与铝、锌等金属溶液亲和或发生反应，能极大地改善压铸件的离模性能而不发生粘模现象。在改善液体金属粘模和热龟裂方面取得最佳效果，有效解决压铸模具碰到的问题，以获得最优的综合使用性能，解决了传统工艺所无法解决的问题。

6、优化模具设计及压铸工艺
减少模具上尖角、拐角的地方，合理使用材料，规范加工和热处理工艺。模具的氮化处理要控制模具的表面硬度HV，>600，氮化层深度达到0．12～0．2mm。正确的预热模具，优化模具以改进内部冷却，使模具获得均匀热平衡效果，使模具维护稳定较低的温度，合理喷涂涂层，涂层对延缓热疲劳裂纹有重要意义，提高模具寿命和效益。

模具压力加工是机械制造的重要组成部分，而模具的水平、质量和寿命则与模具表面强化技术息息相关。压铸模的工作条件极为复杂和恶劣，影响模具失效的主要是热疲劳。我国铝压铸模技术有了一定的发展，但与国外先进水平相比差距很大，其中模具寿命尤为突出。国外可达到8～15万模次，国产模具寿命一般在4—8万件之间，平均6万件，模具寿命短，直接导致生产效率的下降和产品成本的提高。模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平是衡量国家工业水平及铸件开发能力的标志，从而采用延长压铸模使用寿命地最佳措施，这将对降低生产成本提高经济效益具有重要地现实意义。