延長壓鑄模壽命的途徑

1．概述

關于壓鑄模延長壽命問題一直受到應用企業關注。合理選擇壓鑄模成形零件的材料已得到廣大壓鑄模制造商和訂貨方的重視。因為壓鑄模材料的選擇是壓鑄模壽命長短的基本條件。

從20世紀50年代起，國內普遍采用原蘇聯的3×2B8φ鋼，即國內牌號3Cr2W8V鋼，一般壓鑄1～2萬次型腔開始產生發狀裂紋，壓鑄模壽命為5～6萬次。

70年代末，我們在翻譯日本壓鑄協會制訂的DCSP1鋁合金和DCSP2鋅合金壓鑄標準時，對標準中所規定的壓鑄模材料與美國、西德、英國、瑞典和蘇聯等國模具鋼進行了比較和分析，發現國外普遍采用鉻鉬釩鋼，因為從有關研究報告結論看出，鉬鋼與鎢鋼持久性沒有差別，而鎢鋼比鉬鋼容易形成熱交變裂紋。因此我們選用了4Cr5MoSiV1鋼進行試驗研究，請撫順鋼廠按我們研究制訂的技術條件（原則上是按美國H13ASTM681-76的化學成分，日本DCS中規定的對模具原材料要求）進行熔煉，其關鍵點如下：

一是化學成分、雜質含量應符合要求。

二是采用電渣熔煉，避免鋼錠在鑄造時產生偏析和因收縮引起的缺陷，使鋼錠致密性、純潔度高，有害雜質和非金屬夾雜物低，晶界較純凈，成分、組織較均勻。

三是要求鋼材鍛造比能達到4S以上。

用該鋼加之嚴格的模具制造工藝，所生產的壓鑄模使用壽命達25萬次以上。

可以說，H13鋼是從美國引進的優良鋼種之一，因此我國在制訂壓鑄模國家標準時，作為重點推廣鋼種。

至目前為止，該鋼種和近似鋼號，如：國際標準化組織（ISO）的40CrMoV5、日本（JIS）的SKD61、韓國（KS）的STD61、歐共體（EN）的X40CrMoV5-1-1、意大利（UN1）的X40CrMoV5-1-1KU、德國（DIN）的X40CrMoV5-1、英國（BS）的BH13、法國（NF）的X40CrMoV5、俄羅斯的4X5MφIC及一些商業牌號8407、QR90、GS-344M等。

H13鋼是一種強韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼，主要特征如下：

（1）具有高的淬透性和韌性。

（2）優良的抗熱裂能力，在工作場合可予以水冷。

（3）具有中等耐磨能力，還可以采用滲碳或滲氮工藝來提高其表面硬度，但要略微降低抗熱裂能力。

（4）因其含碳量較低，回火中二次硬化能力較差。

（5）在較高溫度下具有抗軟化能力，但使用溫度高于540℃（1000℉）時硬度出現迅速下降（即能耐工作溫度為540℃）。

（6）熱處理的變形小。

（7）良好的切削加工性。

（8）中等抗脫碳能力。

H13鋼的含碳量（質量分數）在0.5%以下，另含Cr、W、Mo、V等合金元素，鋼的含Cr量為5%左右，它與其他碳化物形成元素一起提供給鋼具有較高的淬透性和好的抗軟化能力，因此該鋼在空冷條件下能夠淬硬，其最大淬火硬度在55HRC左右。

延長壓鑄模壽命，除要選用優質鋼材外，還應注意以下問題。

2．鑄件及壓鑄模設計應合理

由于鑄件結構設計上的不合理，導致模具中存在著細薄的截面，成為斷裂的根源。如斜度值的不合理，會引起抽芯、開模或取件時的擦傷；型腔壁面交界處的倒角，稍有疏漏，會造成應力集中裂紋；澆注系統的設計中，若流向、截面積、壓射速度等控制不當，會造成對型壁或型芯的沖蝕。金屬液進入型腔后形成的渦流，由于渦芯部分的流速為無窮大，對模面起到強烈的鏤蝕作用，造成局部拉毛，模具的剛度不足。由于片面地強調節約鋼材，導致早期變形或斷裂的情況時有發生。各構件配合精度等級如選用不當，或由于有余隙的存在，引起熱導率的下降，過早地產生熱疲勞。或是由于裝配尺寸過緊，形成預應力，壓鑄過程中模具出現爆裂。在現代的模具結構中已考慮采用快速頂出機構，一方面是為了提高生產效率；另一方面也是為了減少鑄件的留模時間，卸除模具材料的熱載荷。在壓鑄模設計中，盡可能減少鑲拼，以增強型腔的剛度。

模具設計時要充分考慮模具的熱平衡，使模具維持較穩定、合理的工作溫度。因為在壓鑄過程中，熔融金屬注入模具型腔內，在極短的時間內釋放出大量的熱量，促使模具的溫度提高；同時，模具通過傳導、對流、輻射，以及模具表面噴涂與冷卻水吸收部分熱量，使模具溫度下降，經過一段時間后模具溫度達到一個平衡點，這時模具的溫度就不發生大的變化，這一平衡點的溫度對穩定生產很重要，鑄造質量和生產率在很大程度上取決于模具熱控制能力。在考慮模具熱平衡時，首先要確定平衡點的溫度，由于模具各個部位存在溫度梯度，且在一個循環周期溫度下不斷變化，加之鑄件壁厚的差別，這個平衡溫度一般控制在合金澆注溫度的40%~50%。

因此，一些模具應設計冷卻系統。

冷卻水管的位置、形狀、管徑、冷卻水的溫度及流速等對模具的溫度分布有重要影響，從而影響模具的壽命。如冷卻水管靠近模具表面，可提高模具的熱疲勞壽命，但會增加水道內表面的拉伸應力。有的工廠經驗是：

（1）一次澆注合金總量（含澆注系統）在150g以下時，對澆口和分流錐進行冷卻。

（2）一次澆注合金總量在150~200g時，澆口套、分流錐以及動定模的澆口附近各設置一個？6.35mm（1/4in）的冷卻水道或2個點冷卻。

（3）一次澆注合金總量在250~500g時，在動定模靠近內澆道附近再增加一個？6.35mm（1/4in）的冷卻道或2~3個點冷卻。

（4）大于500g時，再相應增加冷卻水道或改變冷卻水道的形狀，把直道變成L形或U形，管徑改為？9.5mm（3/8in），從而增加冷卻面積。

（5）模具上較大的滑塊和＞25mm受熱較大的型芯也應設置直冷卻水道或點冷卻。

（6）冷卻水管距模具型腔或澆道的距離一般在20~32mm，在分流錐和內澆道熱量集中處可近一點，但最小也要大于冷卻管的直徑。

（7）為了降低龜裂的傾向，可把冷卻水加熱到50℃左右，但不能低于20℃，同時，為避免模具過度冷卻，應適時調節水的流量。

3．保證模具的加工質量

模具在磨削加工過程中，由于砂輪不夠鋒利而產生摩擦熱，會引起表面出現磨削裂紋。此外由于磨削應力的存在，也會降低模具的熱疲勞能力。

型腔表面，特別是澆道表面粗糙度高或型面有少量擦傷及劃線痕跡處，都是裂紋源。模具鑲塊與套板之間的配合精度選用不當，或者由于過松影響熱傳導效率，或者由于過緊產生預應力而使套板碎裂。模具與機器之間的安裝精度，包括平行度與垂直度，皆可能影響導向件的過早磨損。對于用電火花加工模具應用日廣的今天，在加工過程中，由于局部高溫形成表層下的回火區。該區的組織及化學成分與基體不同，硬度高，再加上表面存在著殘余應力，加工后型面易形成細微裂紋，必須進行拋光處理。

4．采用最佳模具熱處理規范

壓鑄模具的材料應具有較高的熱強性和回火穩定性，這樣才有可能獲得高的熱疲勞抗力和耐磨性。

壓鑄鋅、鋁、鎂合金時，壓鑄模與金屬液接觸部分的零件一般是采用4Cr5MoV1、3Cr2W8V或國外相當的材料，熱處理要求硬度44~48HRC，壓鑄銅合金時硬度為38~42HRC。壓鑄模使用前需經過消除應力處理。一般新壓鑄模壓鑄5000~10000次以后進行第一次去應力回火，以后每壓鑄10000~20000次后進行去應力處理，去應力回火溫度比原回火溫度低30~50℃。

5．模具高能量密度表面強化處理

高能量密度表面強化是對材料表面施加極高能量，使之發生物理-化學變化，以達到強化的目的。其主要特點是：工序簡單，過程迅速，零件變形小，生產效率高。其中采用電火花表面強化工藝是一項減少表面沖蝕，防止金屬與模面咬合，提高使用壽命的有效途徑之一。其原理系利用脈沖電路的充分放電，將硬質合金制成的電極（Y68）接通電源的正極，金屬工件接通電源的負極，二者在空氣中作周期性的接觸，引起氣隙放電，形成火花與高溫。在高溫作用下，碳化鎢從電極上升華釋放，在工件的表面產生并完成重熔、沉積、擴散、化合及淬硬的過程，使被涂覆的工件表面形成一成分均勻、結構致密且硬度高的碳化鎢沉積層，其表面硬度可達到1100~1400HV。強化層與基體結合牢固，耐沖擊，不剝落。強化處理時，工件處于冷態，放電點極小，時間短，無退火及變形。經強化后的模具，無論在耐熱性、耐蝕性，還是在耐磨性方面，都有很好的成效。

6．壓鑄模使用的操作規范

（1）模具預熱及保持熱平衡模具中應力的大小與模具中的溫度梯度成正比，因此適當提高預熱溫度是能夠理解的。但是過高的預熱溫度使型腔表面的接觸溫度也高，有損材料的屈服強度，對模具的抗熱疲勞性能是不利的。此外模具在服役過程中，始終保持處于熱平衡狀態，已成為提高模具壽命，增加生產效率和保證鑄件致密性的重要手段。對于冷卻水道的布置，以及熱油加熱、冷卻控制設備的應用，是以測出模具溫度場的分布作為依據的。另外，操作過程中的節奏性和連續性，再加上模具溫控裝置的配合使用，都可以為保持模具最佳的平衡狀態創造條件。

（2）模具涂料涂料的覆膜性對保護模具材料起到重要的作用。凡是涂料未能勻覆之處，皆有受到侵蝕的危險。美國對模具表面噴涂時液滴的形式與散布面積的大小作了機理上的探討，德國也有類似研究工作的報道。他們認為：噴涂到高溫度模具上的涂料液滴，會產生高的蒸氣壓力，而不易吸附于型面上，易引起脫離和賤落，未能充分潤濕型面，使模具壽命受到影響。根據機理分析，涂料液滴應先成球狀與型面接觸，然后攤平成橢圓形而增加了接觸面積，再進一步鋪平成膜，達到均勻覆蓋的目的。為此，要求模具溫度不宜超過“潤濕溫度”范圍。其最佳方案是提高噴涂壓力，使液滴得到較高的動能，壓制了液滴的凝聚現象，達到不致快速氣化的目的。

在選用壓鑄模涂料方面，要力盡采用對模具型腔腐蝕性小的涂料，以減輕對模具的腐蝕。

（3）模具的檢修定期對模具在服役過程中進行觀察與檢修是至關重要的。在生產中由于支承板、套板成模塊、抽芯機構和推出機構等的變形，以及緊固螺栓的松動都是導致模具早期破壞的重要原因。

（4）壓鑄模安裝與使用操作規程

①壓鑄模使用前，必須了解模具基本結構。

②打開動、定模去除油封，擦凈模具上的污物及銹蝕。

③檢查模具活動部分，如滑塊、推桿、復位桿等位置是否準確，有無歪斜現象。固定的零件，不得相對竄動；檢查型面、型芯、導柱和斜拉桿等，不應有碰傷、凹痕、裂紋等缺陷，裝配的位置必須正確。

④有水冷系統的模具，冷卻水路應暢通，不應有滲漏現象，注意進水口與出水口不要搞錯；有液壓抽芯的模具，要檢查液壓抽拔器安裝是否正確，動作是否靈活，并調整好抽芯距離。

⑤模具吊裝時，吊環螺釘強度應符合GB825的規定，吊車及模具在移動中注意不要撞壞壓鑄機和控制柜；模具安裝時，注意澆口套對準壓機的容杯（壓鑄機壓射部分的高低，可根據模具外形尺寸調節）。安裝模具的壓板及螺栓，必須將模具緊固，不能松動。

⑥澆注前模具預熱按壓鑄工藝進行，不能用合金液直接燙模。合理噴涂涂料，模具的冷卻盡可能使用模溫機。

⑦嚴禁用硬鋼棒、鐵榔頭等敲擊模具，拆卸模具活動部分及小型芯時，只能用軟的銅、鋁、鉛棒或木榔頭。

⑧模具粘鋁后用油石打光時，注意不要將模具型腔、型芯磨成倒斜度或凹陷。

⑨模具長期不使用時，入庫前應擦洗干凈，所有零件表面應涂敷防銹劑，運輸時防止磕碰，保證模具完好無損。