提高压铸模的寿命方法

 
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一、压铸模寿命的基本概念:
压铸模具从压铸件设计开始,模具结构,模具材料的选用,锻造,制作、热处理,包括使用的全过程中许多环节都与模具的使用寿命息息相关;压铸模由于其所处的工作环境在承受合金熔液对其的高温、高压、高速的冲刷腐蚀和热交变应力的作用下产生变形,粘模、弯曲、龟裂直到损坏无法修复之前所能生产出来的铸件总数即反映了模具的寿命。
通常模具的寿命在一定的范围内波动视其所压铸的铸体尺寸大小,形状,结构两不同。
模具的寿命是综合了许多复杂情况而集中反映的一个问题,其中比较明显的是模具的龟裂情况,其主要原因是模具上承受的应力超乎模具自身的硬度,强度、刚度和耐热度、耐热度所能承受之重。
二、影响模具寿命的因素: 
因素应该以二个方面为主:
首先模具自身的角度包含:模具的材料选择,材料的质量,材料的锻造规范,模具及铸件的结构,浇注系统和排溢系统布置,模具的制作工艺,模具的热处理过程,都是比较重要的因素。
如果上述因素均能达到要求的时候,尚要考虑其他的外件因素,包括压铸设务,合金的熔炼和保温、压铸生产所用的合金,压铸工艺参数的决定,离型剂的品种与其使用方式,压铸生产的制度,模具的操作维护保养。
由于上述众多因素的影响,故不少工厂在模具寿命方面感到难以掌控,所以对此进行逐一分析以期由所助益。
三、提高压铸模寿命的途径:
1.压铸模具结构的合理设计:
压铸模具设计的第一着眼点是压铸件的工艺性,鉴于压铸的特点,压铸件必定是壁薄而均匀的,压铸件也不能造成压铸模具特别的单薄的模具组元,保证模具有一定的结构强度,且铸件必须有铸造园角,避免模具上相应部位的应力集中现象,铸件必得有脱模斜度,而型芯要有一定的的间距,型芯也有一定的细长比,模具的组合部分也要保持一定的强度。
然后模具的整体布局也应该让模具在压铸机内自如运动,拥有够的强度和刚度,以承受来自压铸机的所有机械作用力。
至于浇注系统与排溢系统的布置以有利于熔融合金的顺畅进入型腔,而且能完好的给铸件赋形,同时将气体和冷污合金充分排溢。
同时要确保内浇口处的金属射流不会强力冲击模具的型壁及型芯的表面,这样可避免冲刷与局部模具的过热,也避免合金液流所生成的涡流对模具的蚀刻破坏。
另外模具自身要有一定的结构强度和刚度,以与铸件的大小相匹配,如果模具自身的刚强度不够,再加上模架也较弱的话,在每次压射过程中它们都可能产生弹性变形,乃至塑性变形,那样会加剧模具的损坏。
还有是模具的个另零部件间应有合适的相互关系,应松的松该紧的紧,否则无法避免预应力及松动现象的出现,
最后是模具的热平衡,通常而言小型模具的热平衡的问题不显得突出犹如中心浇口的模具一样与生俱来有着热平衡的优势。但对于大型铸件而又是侧浇口方式进料的模具比较重要,此种方式不可避免地造成近浇口处的模具温度高,而浇口的远端则温度偏低,尽管可在远端多开设集渣包,帮助模具该部分的升温,但必竟流至渣包的金属自身温度已然降低很多,只能用提高浇注温度、速度和压力的方式来改善浇口远端铸件的成形和内在质量,这样反过来造成了浇口处模具更严酷的工作条件,必然加速该部分模具的损坏。
比较行之有效的方法是使用模具温度控制系统,它用经过加热或冷却的油性介质将热量传递给模具或排出,在模具未进行生产时即对模具进行预热而生产时可随意掌控升温或冷却的温度,从而减少模具各部分的温度梯度,甚至使温度梯度倒置,让浇口近处的模温低于浇口远端的模温,因为合金液流的温度梯度与之相反,这样能使两处的充填条件更为接近。
热平衡状况的改善直接导致压铸工艺参数的低调化;不论是压力、速度、浇注温度均是如此,在不牺牲质量的前提下,从另一侧面保护了模具,提高了其使用寿命,铸件合格率的保证,也使生产效率得到提高。
使用温度系统还必须关注模具冷却和加热通道的安排。

2.模具材料的选用
   压铸模具严酷的工作条件对模具的钢材提出了很高的要求,首先对材料的冶金质量要求除了确保化学成分外,也对材料的纯净度提出要求,因为不论是化合物夹杂还是单一元素的非金属夹杂大部分情况下以不规则的多角形弥散于合金中,高倍放大时它们都呈尖角或锐棱形,造成了材料内部的应力集中现象,当模具在锻造,热处理或使用中往往会成为裂纹的发源地。
此外有害元素如超出一定的范围即会造成性能的大幅下降,如磷造成冷脆而硫造成热脆,硫的含量必须严格控制在0.005%以下:(按NADCA2007-2003中H13钢显微组织验收标准)。
另一要素是固溶合金的成分均匀程度和材料机械性能的各向一致性。

再有,材料要尽可能避免气孔,疏松和缩孔等,往往的材料的宏观断面会呈现上述缺陷。
综上所述,选择模具材料的品种与生产企业两者不可偏废。
目前使用的压铸模钢材基本为二类
其一是沿用数十年的3Cr2W8V另一类为H13及2367等。二类材料性能各有千秋,但以H13目前使用最为广泛。
3Cr2W8V:锻造性能佳,切削性能稍差,热处理工艺的掌握较难,故质量时有大幅波动,为提高硬度可用稍高的淬火温度(1050℃∽1070℃)使模具硬度保持在HR47——48,如此,可使其高温强度高,硬度和回火抗力较好。
H13:含铬量较高,属于空淬范围畴,锻造性能较差,但淬透性,淬硬性及抗热疲劳性能俱佳。
2367类似H13,但其高温抗蠕变性能比之高出一大截,(600℃)中低温时差距不大。
3.坯料的准备
模具钢锻造目的是细化碳化物,并使其分布均匀,以全面改善组织,阻碍钢材加热时奥氏体晶粒的快速长大,减少对过热的敏感,而且碳化物由于其的高硬度提高了钢材的耐磨性和抗咬合性,也垃强了材料的塑性变形抗力。
另外锻造能使材料的结晶方向分布合理,改变组织的纤维状态,使材料的机械性能各向一致。同时减少了热处理的变形量。
由于模具钢的合金含量高,红硬性好,塑性差,变形抗力大,故其锻造温度范围狭窄,终锻温度太低会造成锻件的内部裂缝,终锻温度过高则会产生粗晶和网状碳化物,锻造结束后冷却速度不能过快,否则内应力过大会产生冷却裂纹。
3Cr2W8V锻造工艺:由于无电渣钢锭故必须经过三镦三拔,始锻温度1130℃-1150℃可取上限,终锻温度820℃—850℃。锻后在860℃—870℃ 退火,并且随炉冷却,
H13锻造工艺:只需二镦二拔,始锻温度1130℃-1150℃可取下限,终锻温度860℃—880℃。锻后也要在860℃—870℃ 退火,并且随炉冷却。
锻件必须经过X光或超声波探伤,以免因为内在的缺陷
在模具加工完了后才发现造成了人力物力的浪费。
各种检测项目均有标准为依据:
疏松按YB9-68
网状碳化物残留及共晶碳化物的不均匀度按GB1299-77
钢材晶粒度按YB27—64
                  ASTM112—74(美)
                 JISG0551—77(日)
                 ГOST5639—65(俄)
钢材脱碳层深度按ISO3887-76(国际)
                 JISG0588—77(日)
淬硬层深度(从表面至HV550在1KGf负荷下测量)
             按JISG0557—77(日)
             ISO2939—73(国际)
锻件的表面不应有目视可见的折叠及裂纹,在金加工后的表面上也不能出现麻面与类似砂孔的缺陷,这很大可能是氧化夹杂聚集现象。
4.模具的制造过程
压铸模的制作是个比较繁复的工程,使用了各种工艺手段和设备,每个过程都对模具寿命有影响下面分别叙述:
A.相对于一般结构钢,模具钢的切削性能较差,故不论是车、刨、铣、磨、钳,所采用的切削参数均比前者低,避免使模具表面过热后形成硬化层,已然生成的硬化层应进行消除应力处理。磨削也会产生应力,特别是在干磨时更易产生,它降低了钢材表面的强度和抗热疲劳强度,挽回的措施是将工件加热到510℃—570℃保温1小时,消除应力(H13)。对3Cr2W8V则可在420℃—440℃保温45—50分,然后在锭子油中冷却15分,在苛性钠中冷却15分钟。如果能用低应力磨削,即采用较小的切削深度(0.025㎜)在最后的0.005于量时更应逐步减少切削深度至0.00025㎜,同时要提高切削速度,还要保持砂轮的锋利,这样能缩短模具表层的高温瞬间,防止局部会火。
B、电加工
     电加工用于模具的制作已有很长的时间了,它的作用机理可以看作是无数个微型电弧炉的堆积,将模具用来赋形的部分熔化除去,而模具的表层即经过了熔化→冷凝→油淬→冷却的全过程,故必然产生硬化的表层,如图2所示:
图2模具表面白亮层及其硬度                 图3模具表层的裂纹
该白亮表层富集了电极元素及介质元素,厚度约为0.01㎜,同时伴生了巨大的应力,从而出现如图3所示的细微裂纹,如果不采用抛光手段将它除去,然后进行三级回火的话,会在压铸过程中进一步扩大。

为减少白亮层的产生在最后精细加工时应提升电流的频率。

C.模具型腔及型芯的表面粗糙度:
    在量微镜下模具的表层呈波浪形和锯齿形,所有的波谷都是应力集中处,是潜在的裂纹,随着对铸件精度和粗糙要求的提高,表层经过抛光的模具更多地得到首肯,常用的抛光方式为电子抛光、超声波抛光和电化学抛光,被抛光的表面接近镜面,用在锌合金压铸时可长时间保有制造精度和粗糙度,真正做到无切削。
D.模具的热处理:
   为使模具钢能胜任压铸工艺,模具均要进行热处理,常规的做法是先热处理然后进引加工,最后氮化。
    但是在有些情况下,还是沿用传统的做法,先加工后热处理,但变形在所难免.
①不论何种顺序,复杂形状的模具在热处理前必须要进行去应力回火:600℃—650℃ 2小时,热处理的升温也要平缓,且分为600℃及850℃二级,最后到达1020℃—1030℃,然后用油淬火达到HRC50—54,在温度不低于100℃,时间不多于12小时情况下进行580℃—650℃保温2小时的二次回火,最后空冷。
     这样能确保H13钢的模具最终硬度为HRC44—48。
   如果要模具对韧性有所侧重,获得马氏体和下贝氏体的复合组织,则应该充分的回火,使基体硬度保持在HRC 42—44,然后进行氮化处理。
② 真空氧氮化表面处理:
      模具在真空炉内加热至540℃保温4小时,并通入氨气,然后是丙烷及二氧化碳,使模具表层生成0.03㎜深的氧、氮、碳与铁的化合物,然后经过600 ℃处理后硬度达到Hv750。
③ 气体软氮化:该工艺有别于液体氮化及气体氮化,模具表层形成的是单纯ε相化合物,组织致密不易剥落,工艺是在580℃时炉内通入甲醇与氨各半的混合物保温4.5小时后油冷。
E模具的表面强化:
为使模具能更有力地抵御合金液的冲刷采用高能强化的方法对模具进引处理:用脉冲电路,通过硬质合金(Y68)电极放电,模具为负极,在放电的过程中,碳化钨扩散沉积于模具表层,硬度达到HV1100—1400,沉积层与基体有足够的结合强度。使方法简单快速高效。经处理的模具在耐热、耐蚀、耐磨方面均有不俗表现。特别有利的是可针对模具的局部损坏进行修复。
5.模具的使用过程

  模具寿命的长短与其使用的关联也较紧密,首先从压铸合金开始讨论:
A. 压铸合金的熔炼:
     目前国内使用的压铸合金中铝所占比例为最大,从AL—Fe平衡图中可知:AL与Fe在600℃时最易形成固溶体,即亲和力最强,故在压铸生产中,常有铝合金粘附在模具上,特别是在高速高压高温液流直接冲刷的部位,此现象更易出现,此种粘附物使铸件表面,遭到破坏,轻则影响铸件的精度和粗糙度,重则造成拉伤和缺损,甚至使铸件牢牢附着在模具上无法继续生产,此外铝与铁的化合物呈脆性,导致模具开裂,故对模具上的粘附物应该随时清理。当粘附发生在分型面上时更应及时清理,否则使压铸机的合模力首先作用即在该处,压强大大超过模具钢的强度,迟早造成模具的损坏。性能水的离型剂可以减少粘模的发生。
另一方面熔融合金内溶解有一定量的气体,当合金进入型腔时它们与包裹的气体、型腔原有的气体一起会同喷射雾化的金属产生型腔内爆炸,造成型腔表层细微的剥落,该现象称为气蚀。
当使用回用合金压铸时油污中所含的氢元素,由于化学作用及氢的渗透进模具表层,脆化了模具材质,加剧了裂纹的形成。
所以说对合金所进行的除气与精炼,除了因铸件质量上的要求外,延长模具使用寿命也是一个重要需求。
为了缓解铝对铁的亲和,特地在铝合金中加了一定量的铁元素,(按标准最大什为1.3%)但是过高的Fe会在合金中形成针状相,不利于合金强度的提高,Fe的坏作用可用其20%比例的钼来抵冲。
B.压铸工艺:
 在既有的各种生产条件下,压铸工艺的合理安排其作用不容忽视。
对于压铸各种参数的选择,应该有个原则即在不影响铸件质量的情况下,尽可能采用参数的下限。
压铸时熔融金属对模具周期性的热冲击加上模具的冷却过程形成为一种交变应力,当其数值超过模具材料自身的强度和抗蠕变能力时就成了模具致损的首要因素。
合金从压室到内浇口的过程是个速度和温度双双提高的过程,当金属流接触到模具表层时迅速将其加热至550℃—650℃(铝)如图4所示:
 
图4模具表层的温度变化
但模具深部的温度相对较低,这样对模具造成了很大的热应力,其大小与温度梯度成正比,极限值可达1500MPA显然是过高了。
在压铸生产过程中,每个循环模具都要膨胀和收缩一次,久而久之,导致了裂纹的产生。
另外,高速、高温、高压的金属液流也对模具产生冲刷和蚀刻作用,特别是内浇口及附近被液流首当其冲的型腔部位。上图中的温度梯度显示是模具经过预热的情况,这是保护模具的必须过程,如果不经预热而直接生产,则温度梯度更大,对模具的热冲出更难以抗拒,故必须绝对禁止。

预热还能够提高模具材质的韧性,起到阻滞裂纹产生和扩大的作用,通常预热温度在200℃—300℃度。
预热的温度不必太高,一则技术上有难度,二方面会使模腔的接触温度过高,对模具的屈服强度和抗蠕变能力不利,也使铸体表层的致密度降低,而粗糙度则扩大。
C.消除应力回火:
压铸模在生产一定数量的铸件后应该进行回火处理,使以已生成的热应力在模具表面开裂前得到释放。铝合金压铸模常在1万模次前后进行,可进行多次。回火温度比淬火后的高温回火低30℃—50℃。铜合金压铸模具则在4千模次前后进行:多次回火对模具寿命的影响如图5所示:
 
图5回火与模具寿命关系
D.离型剂的使用:
离型剂主要作用是使铸件易于离开型腔,但某种意义上它也对模具起到保护和延长寿命的作用。
离型剂的喷涂理论上要求其在下一压铸循环以前确保模具的表面均为离型剂膜所覆盖。
但是由于生产中模具温度较高,水溶性离型剂要做到该点是有难度的,因为水在高温模具表面上的迅速蒸发,极大部分离型剂冲走,只有那些对钢材湿润能力强的品种才能起到作用。喷涂时离型剂在乳浊液中的颗粒呈球状,由于喷射压力,
使其具有一定的动能,在接触模具时先变得扁平,然后铺开,形成薄膜状,为此要求模具温度不能太高,让离型剂颗粒有附着的条件,另一方面提高喷射的压力,使离型剂的弥散度更高,而且有更高的动能,不易被水蒸气冲掉,从而达到成膜的目的。
E.压铸的生产制度与模具维护保养
通常对压铸模而言,理想的生产制度是工人轮休制度,模具则为连轴转,除了工人交接班时所必须进引的维护保养外,因为间断性的生产使得模具温度的变化较大,特别是在北方的冬季,会造成过大的热应力变化,连续运转还带质量稳定和生产效率高的额外好处。
而维护保养则应该贯穿在生产的全过程中,操作工必须随时随地关注模具的工作情况,只要发现故障和异常情况应当及时排除,因为许多寿命问题是由小事累计而成的,在每个班完工以前模具的分型面及型腔型芯的表面应该彻底清整,各零部件均应涂上润滑油。
F.模具的修复:
      模具在使用相当长时间后会产生磨损和表层剥落等现象,可用低压等离子喷镀修复:
     将模具置于低气压基至真空条件下,进行等离子喷镀,在其上覆盖一层高强度、耐高温、耐腐蚀的特殊表面,经过修正后恢复模具原有的功能。
6.加快模具制作的速度以弥补模具寿命短的不足:
压铸模由于工作条件恶劣故其寿命难以在短时期内得到大幅度提高,故从另一角来解决问题:即加快模具生产的速度以降低生产成本,
目前比较行之有效的当首推CAM(包括电加工用的电极)由于在CAD阶段压铸件的造型均已完成,故制作模具时的编程也顺理成章,制成的模具与型芯只须进行修正和抛光即可投入生产,有些CNC刀具硬度高、转速高,使模具的局部已经不必打光即能使用。这样,大大缩短了模具制作周期及时应付生产的需要,也使人为因素的影响减至最小,成本也降低很多。
其他的方法如模具型腔的冷挤,相对应用范围较窄,由于各种因素的制约,往往仅用在镶块和某些型芯上。
铍青铜的翻模法制造虽然可以数量弥补质量,但应用的企业仍只是个别。
至于陶瓷型精铸的模具由于精度的掣肘时,仍停留在实验阶段,有待突破。