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1、压铸模具寿命问题的探讨提高金属压铸模具寿命对从事模具制造和压铸生产的企业而言，代表的就是生产效率、产品质量的提升与生产成本的下降，同时，更大范围的对企业的商业信誉与市场定位有直接影响。国内模具寿命较低是国内的模具无法与先进模具工业国家竞争的主要原因之一，其中以金属压铸模具尤甚。但影响金属压铸模使用寿命的因素很多，并非单纯的模具问题，如压铸产品结构、模具结构与制造工艺、压铸成型工艺、模具材料与热处理及模具使用的维护保养等诸多因素密切相关，因此，企业在提高模具寿命项目实施中，一方面既要强调重点突破，克服技术瓶颈；另一方面更要积极进行相关因素的综合治理，从根本上提高企业生产技术的系统能力。影响金属压
2、铸模使用寿命的因素（详见图 1） ，为了易于分析与控制，建议把模具寿命看成三段，第一是先天阶段：从产品结构设计、产品材料到摸具选用的钢材等；第二是形成阶段：为模具设计制造及热处理工艺的正确控制，最终完成后的模具本身状况，其中含各道加工工艺控制，如 EDM、热处理工艺；第三是后天阶段：模具的使用与维护保养阶段。这三个阶段出现的任何问题均会对模具造成致命伤害，而提高模具寿命也正是从这些方面入手。1 压铸模的工作状况对模具的影响及模具失效报废的主要原因分析1.1 熔融的金属液以高压（100-200MPa） 、高速进入型腔，对模具成型零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，高温使模具硬度下降，导致型腔软化，产
3、生塑性变形和早期磨损。因此，金属压铸模具必须有足够的红硬度、热稳定性、耐磨性和高温强韧性，以抵抗塑性变形和磨损。另外，高的冲击压力还会造成型芯的偏移和弯曲产生压铸件的质量波动，也是最常遇见的模具问题。1.2 在填充过程中，熔融的金属（铝）液以高温（约 680） 、高压、高速射入型腔，金属液中杂质和熔渣对模具成型表面会产生复杂的化学作用，产生化学腐蚀。熔融金属液逸出气泡使型腔发生气蚀。这些都在加速表面的腐蚀和裂纹的产生。因此，金属压铸模具应有一定的抗腐蚀性能。1.3 压铸模型在较高的工作温度下进行生产，使型腔表面局部瞬间温度高达 500-640，存在着吸收金属在凝固过程放出的热量，产生热交换，模
4、具材料因热传导的限制，型腔表面首先达到较高温度而膨胀，而内层模温则相对较低，膨胀量相对较小，使表面产生压应力；开模后，型腔表面与空气接触，受压缩空气和涂料的急冷而产生拉应力。型腔被反复加热与冷却，产生热应力、组织应力和机械应力，膨胀收缩不同期性和这种交变应力反复循环并随着生产次数的增加而增长，当交变应力超过模具材料的疲劳极限时，表面首先产生塑性变形，并逐渐在型面局部薄弱之处产生细、长、浅呈辐射网状裂纹，成为机械疲劳龟裂。此类问题是模具成型零件表面裂纹乃至整体开裂的主要原因，从而造成模具的报废。因此，压铸模具应有较高的冷热机械疲劳抗力。2 影响压铸模型寿命之诸因素的讨论：2.1 铸件结构设计的影
5、响1）在满足铸件结构强度的条件下，宜采用薄壁结构。这除了减轻铸件重量外，也减少了模具的热载荷。但铸件壁的厚度也必须满足金属液在型腔中流动和填充的需要。2）铸件壁厚应尽量均匀，避免产生热节和结构应力变型，并减少局部热量集中而加速局部模具材料的热疲劳。3）铸件的转角外应有适当的铸造圆角，以避免在模具相应部位形成菱角，使该处产生裂纹和塌陷，同时也有利于改善填充条件。4）铸件上应尽量避免窄而深的凹穴，以免模具的相应部位出现窄而高的凸台，使散热条件恶化，并因受冲击而弯曲、断裂。5）铸件设计应考虑模具结构工艺，与制造工艺的可行性与合理性。2.2 模具设计的影响1）模具中各元件应有足够的刚性和强度，以承受锁
6、模力和金属液充填时的反压力而不产生较大的变形。导滑元件应有足够的刚度和表面耐磨性，保证模具使用过程中、起导滑、定位作用，必要时进行热处理并增加油槽润滑。所有与金属液接触的部位，均应选用耐热钢，并采取合适的热处理工艺。套板选用 45 钢或 50 钢并进行调质处理，大型模具也可选用球墨 铸铁。2）正确选择各种元件的公差配合和表面粗糙度，使模具在工作温度下，活动部位不致咬合和窜入金属液，固定部位不致产生松动。图 1 影响压铸模具寿命的因素3）相对运动之构件应正确选择合适的不同硬度材料以防咬合。4）设计浇注系统时，要尽量防止金属液正面冲击或冲刷型芯，减少浇口、溢流槽、影响压铸模具寿命的因素模具材料材料
7、性能硬度强度抗蠕变延展性韧性热传导性能热膨胀系数模具设计模具尺寸模具/抽芯倒角/孔/尖角冷却水道流道/浇口/溢流槽模具制作机加工电火花抛光补焊去应力回火热处理预热奥氏体化温度/时间冷却介质回火表面处理压铸机机器特性合模力参数选定压铸生产 模具维护过程控制模具预热温度压铸金属锌，镁，铝，铜化学成分/温度清理喷丸处理去应力回火补焊冷却润滑机械力压铸模主要失效形式热龟裂、整体开裂、冲蚀腐蚀排气槽靠近导柱、导套和抽芯机构，以免金属液窜人。5）在成型压力与填充速度得以保障情况下，可适当增大内浇口截面积会提高模具使用寿命。6）设计时应注意保持模具热平衡（尤其是大模具，复杂的模具） ，通过溢流槽、冷却系统合
8、理设计，特别是采用温控系统，会大大提高模具寿命。7）合理采用镶块组合结构，避免锐角、尖劈，以适应热处理工艺要求。设置推杆和型芯孔时，应与镶块边缘保持一定距离，溢流槽与型腔边缘也应保持一定距离。 （合理的镶块结构不仅不会降低模具寿命，还会有利模具的应力状况，应在设计时重点考虑。 ）8）由于铸件设计而造成模具不可避免的易损部位，特别是较小截面的凸台，细小而长的型芯，应尽量采用镶拼的做法，便于损坏时更换。2.3 金属压铸模具关键成型材料的选择与热处理工艺的影响2.3.1 压铸模材料1）压铸模使用材料的选择与金属掖接触的零件材料要求。具有良好的可锻性和切削性能；高温下具有较高的红硬性，较高的高温强度，
9、高温硬度，抗回火稳定性和冲击韧性；具有良好的导热性和抗热疲劳性；具有足够的高温抗氧化性；热膨胀系数小；具有高的耐磨性和耐腐蚀性；具有良好的淬透性和较小的热处理变形率。滑动配合零件使用材料的要求具有良好的耐磨性和适当的强度；适当的淬透性和较小的热处理变形率。套板、支承板使用材料的要求具有足够的强度和刚性。易于切削加工。2）模具钢材（原材料）及锻造质量的影响经过锻造的模具钢材，可以破坏原始的带状组织或碳化物的积集，提高模具钢的热学性能。为充分发挥钢材的潜力，应首先注意它的洁净度，使该钢的杂质含量和气体含量降到最低。目前，压铸模用钢普遍采用热作模具钢，如瑞典HOTVAR、DIEVAR、8047，日立
10、 DAC55、DAC、FDAC 及 W302、H13、AMAX 等钢材,并采用真空冶炼或电渣重熔的钢材,经电渣重熔的热作钢比一般电炉生产的疲劳强度提高 25%以上，疲劳的趋势也较缓慢。作为型腔和大型芯的钢坯应通过多向反复锻打,控制碳化物偏析和消除纤维状组织及方向性。锻材内部不允许有微裂纹、白点、缩孔等缺陷。锻件应进行退火，以达到所要求硬度和金相组织。型芯、镶块等模块应进行超声波探伤检查合格后方可使用2.3.2 压铸模热处理工艺的影响1）通过热处理可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
11、内应力的存在。热处理质量对压铸模使用寿命起十分重要的作用，如果热处理不当，往往会导致模具损伤、开裂而过早报废。采用真空或保护气体热处理，可以减少脱碳、氧化、变形和开裂。成型零件淬火后应采用 2 次或多次的回火。实践证明，只采用调质（不进行淬火）再进行表面氮化的工艺，往往在压铸数件模次后会出现表面龟裂和开裂，其模具寿命较短。2）压铸模热处理要求及工艺技术（注意各类型热作模具钢在工艺参数上含有些许差异，应以材料制造商指定工艺为参数）：内外部应力大于材料的弹性极限，材料就会产生塑性变形，应力大于材料的强度极限则材料就要开裂，应力包括加工应力，零件结构应力、热应力和组织应力。为了不使材料变形和开裂，必
12、须尽力设法减少材料的应力或增大材料的强度极限，为此热处理必须注意以下几方面。 淬火前应进行消除应力退火模具在机加工过程中会产生很大的机加工应力，并且由于材料的不均匀去除与破坏产生结构应力，在淬火前必须把这部分应力去除。在粗加工和精加工后，必须进行二次应力退火，然后进行修模，在安排最后淬火。不然会使模具在淬火过程中产生过大的变形。应力未去除是造成模具开裂，早期失效的常见原因。淬火前的加工要根据结构特点预估变形状态，预留精加工余量。 淬火时须分级预热为尽量减少热应力，模具在加热到淬火温度前必须进行分级多次预热，模具成型零件整体达到预定预热温度后，保温一定时间，再逐渐升温至下一个预热温度，应注意升温
13、速度不能太快，尤其在温度较低时，模具零件刚性大、塑性差、易裂。加热保温时间可按每毫米壁厚 40-50 秒计算。 选择合适的以完成淬火温度奥氏体中去，淬火加热温度及保温时间必须充分，温度越高，时间越长，合金元素溶解越充分，则模具红硬性及抗回火稳定性越好。但另一面则容易使晶粒长大，机械性能下降，变形加大。 选择正确的冷却方法冷却可以采用油冷、气冷，热浴分级。冷却速度越快，产生的热应力就越大，变形也就越大，但冷却速度过慢则容易使碳分子在晶界析出，使材料强度极限降低，故一般以真空炉中高压气淬为宜。形状复杂的模具，不能冷至室温再回火，一般冷至8085左右将它直接放入 120150的加热炉内，均热时间按
14、50-60 分钟/100min 计算，使心部完成组织转变，然后再进行回火。 淬火后须及时回火在淬火过程中会产生很大的热应力及组织应力，必须及时回火去除，不然很容易造成模具变形、开裂，回火时尽量缓慢加热到所需温度，通常热作钢材料需回火三次，回火温度决定于每次前道工序所测的硬度。回火时间正常不少于 2 小时。应该强调，除以上工艺要求严格施行外，热处理操作工人对零件的推放、分炉、清理等工作对零件变形量、残余应力、氮化软点亦有直接影响。 金属压铸模具通过表面强化技术金属压铸模具通过表面强化技术来提高模具使用寿命是值得关注的应用研究方向，目前表面工程领域的最新进展是最有可能带来模具寿命产生重大突破性进展
15、的技术方向。例如：表面改性工艺技术 WC-SP；模具表面超硬化处理方法主要有物理气相沉积（PVD） ，化学气相沉积（CVD） ，物理化学气相沉积（PCVD） ，扩散法金属碳化物覆层技术，碳化钨植焊被覆技术和 ABP 技术等均应得到关注。目前金属压铸模具最常用的是表面渗氮强化技术：表面渗氮是目前最常用的表面强化方式，氮化使模具表面产生较硬的氮化层，此氮化层有很好的耐磨性和耐磨腐蚀性，能提高模具的耐热疲劳强度和降低摩擦系数，提高模具寿命。同时，由于氮化层不易粘铝合金，对脱模有利，一般采用离子氮化或气体氮化。现有软硬氮化之分，主要差别即是氮化层厚度，从实践中看，氮化层深度以 0.1-0.3毫米（包括
16、过度层） ，硬度 HV550-800 为宜，氮化层过深，硬度过高、氮化层容易剥落。氮化前工件必须小心洗净，消除油渍，不然影响氮化质量。氮化后模具不能在进行研磨，只能进行精抛光，不然将会使氮化层磨掉。2.4 模具加工及加工工艺的影响1）在加工过程中，除保证正确的几何形状和尺寸精度外，还需要有较好的表面质量。在成型零件表面，不允许残留加工痕迹和划伤痕迹，特别是对于高熔点合金的压铸模，该处往往成为裂纹的起点。2）导滑件表面，应有正确配合精度和适当的粗糙度，防止擦伤影响寿命。3）电加工后应进行消除应力处理。4）复杂、大块的成型零件，在粗加工后应安排消除应力处理后消除变形再精加工。5）大型模具套板加工应该在粗加工后去应力处理后再进行精加工。6）精密压铸模具应在接近工作温度中、进行精装配，与运行检测。7）成型零件出现尺寸或形状差错，需留用时，尽量可采用镶拼补救的办法。小面积的焊接有时也允许使用（采用氩弧焊接） 。焊条材料必须与所焊接工件完全一致，严格按以焊接工艺，充分并及时完成好消除应力的工序，否则在焊接过程中、或焊
