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【干货出炉】探讨提高压铸模具寿命的具体措施(第一部)
发布日期:2015-11-26  来源:第一压铸网  作者:上海旭东—刘遵建  浏览次数:987
核心提示:在这里谈谈压铸模失效的形式和原因,从模具材料、热处理、设计、制造加工,从压铸工艺、生产操作、模具使用维护等多方面,探讨影响模具寿命的因素和具体的对策措施。

 

探讨提高压铸模具寿命的具体措施

旭东压铸(上海)有限公司 刘遵建


探讨提高压铸模具寿命的具体措施(一)

在这里谈谈压铸模失效的形式和原因,从模具材料、热处理、设计、制造加工,从压铸工艺、生产操作、模具使用维护等多方面,探讨影响模具寿命的因素和具体的对策措施。

致使压铸模失效的主要形式是: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具体措施。

探讨提高压铸模具寿命的具体措施(二)

1. 选用压铸模具材料应注意的事项
模具材料要具有良好的切削加工性,易于精加工;有高的热处理淬透性,使淬火后内部和表面的组织和性能均匀,且尺寸变形小;持久的耐高温塑性和耐热疲劳强度,使模具不会过早的出现龟裂;高的高温强度、硬度和高温耐磨损性能,热膨胀系数小,保证模具使用过程中尺寸的稳定性;高的抗液态压铸合金化学侵蚀和机械冲蚀的能力,防止模具粘模和熔损缺肉;具有高的高温耐氧化性,常温耐腐蚀性,不容易发生锈蚀的现象。为提高冲击韧度,目前常用的H13钢的化学成分纯净度要求:优级钢含硫量要小于0.005%;超级H13钢要求含硫小于0.003%,和含磷小于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,降低了钢材的延展性,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,优良的韧性及延展性,优良的抛光性,较好的异向等同性能。钢材的均一性要求材料的组织要均匀,钢胚具备任意方向机械性能同性,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。建议高寿命要求的模具选用瑞典一胜百的8407、DIEVAR,德国2344、美国H13(4Gr5MoV1Si)、日本SKD61材料。日本日立的DAC55、ZHD435和一胜百的DIEVAR在高硬度时有很好的韧性及抗高温强度,模具寿命也很好。

探讨提高压铸模具寿命的具体措施(三)

1.压铸模具的热处理应注意的事项

热处理是利用加热与冷却,改变压铸模具材料的金相组织,使模具材料得到所必需的强度、硬度、韧性、高温下尺寸稳定性、抗热疲劳性、切削加工性等性能的操作。压铸模具热处理时注意:对相同材质、相同的热处理后的硬度要求,若采用不同的热处理工艺方法会令品质性能完全不一样。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。建议由模具钢材销售的公司负责模具的热处理,避免因为材料和热处理的厂家不同而引起品质纠纷。

H13钢采用高压液氮气冷高真空炉淬火质量好,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℃(DIEVAR钢在1000~1030℃),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入奥氏体,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Ac1和Ac3及保温时间,防止奥氏体粗化。压铸模淬火后用不同温度最少分3次回火,按2~3小时/次保温,特别注意回火的温度和硬度效果,H13钢不能在425~550℃, DIEVAR钢不能在500~550℃回火,以避免回火脆性。如果还要进行氮化处理,可以减少一次回火处理。

钢材的回火脆性

1. 回火脆性,是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时,随着回火温度的升高,硬度降低,韧性升高。但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷,一个在 200~400℃之间,是低温回火脆性;另一个在450~650℃之间,是高温回火脆性。在回火脆性温度范围内,随回火温度的升高,冲击韧性反而下降。

合金钢淬火得到马氏体组织后,在450~600℃温度范围回火;或在650℃回火后以缓慢冷却速度经过350~600℃;或者在650℃回火后,在350~650℃温度范围长期加热,都使钢产生脆化现象如果已经脆化的钢重新加热到650℃然后快冷,可以恢复韧性,因此又称为“可逆回火脆性”

2. 回火脆性产生的原因:是因杂质元素在晶界的偏聚,降低了晶界的断裂强度,产生回火脆性。

3. 高温回火脆性产生的机理:①出现回火脆性时,Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A(奥氏体)晶界偏聚(是产生第二类回火脆性的主要原因),都集中在2~3个原子厚度的晶界上,回火脆性随杂质元素的增多而增大。Ni、Cr不仅自身偏聚,而且促进杂质元素的偏聚。②淬火未回火或回火未经脆化处理的,均未发现合金元素及杂质元素的偏聚现象。③合金元素Mo能抑制杂质元素向A晶界的偏聚,而且自身也不偏聚。碳也起着促进作用。一般碳素钢对高温回火脆性不敏感,含有铬、锰、镍、硅的二元或多元合金钢则很敏感,其脆性敏感程度依合金元素种类和含量而不同。

4. 防止回火脆性产生的方法:
①提高钢材的纯度,尽量减少杂质;
②加入适量的Mo、W等有益的合金元素;当钢中钼含量增加到0.7%时,则高温回火脆化倾向大大降低,超过此限钢中形成富钼的特殊碳化物,基体中钼含量降低,钢的脆化倾向反而增加;长期在高温回火脆化区工作的部件,单加钼也难以防止脆化,只有降低钢中杂质元素含量,提高钢的纯净度。
③对尺寸小、形状简单的零件,采用回火后快冷的方法;
④采用亚温淬火(低于A1~A3温度线): 细化晶粒,减少杂质偏聚。加热后为A+F(F为铁素体,细条状),杂质会在F中富集,且F溶解杂质元素的能力较大,可抑制杂质元素向A晶界偏聚。
⑤采用高温形变热处理,使晶粒超细化,晶界面积增大,降低杂质元素偏聚的浓度。
⑥在高温回火后用油冷或水快速冷却以抑制杂质元素在晶界偏聚。

5. 压铸模具的回火或去应力退火,都应尽量避免在高温脆性范围内进行。

探讨提高压铸模具寿命的具体措施(四)

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钢退火的温度比淬火时最后一次回火的温度低20℃~40℃,比如根据模块厚度用560±10℃保温1~1.5小时进行消除应力退火。

合理选择模具的硬度,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,如果硬度太高又会增加开裂的风险,所以一般建议:锌合金压铸模用47~52HRC;中、小型的铝、镁合金压铸模用46~48HRC;尺寸大的铝、镁合金铸件和比较厚或形状复杂件的模具,应适当降低硬度为44~46HRC。日立的DAC55、ZHD435及一胜百的DIEVAR钢在高硬度时有很好的韧性及抗高温强度,应用时硬度还可以比H13提高2~4HRC。

探讨提高压铸模具寿命的具体措施(五)

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、日本的KANUC、蒸镀(PVD物理蒸镀、CVD化学蒸镀)、氮化加蒸镀、激光等方式的表面强化处理,以减少粘模或侵蚀。目前使用日本的KANUC处理的比较多。如需氮化时,型面的氮化层总深度应比以往的0.2~0.3mm要小,应根据铸件壁厚由厚到薄控制在0.04~0.08~0.12mm, 且应无化合物白亮层,防止过厚的白亮层碎裂后引起模具过早的龟裂。氮化温度越高、氮势浓度越高和氮化层越厚越容易产生白亮层。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。注意,每次退火和氮化之前、后都要对模具表面进行相应的抛光处理。为防止模具型腔在量产之前出现氧化生锈,在试模合格之后,应对模具在电热炉中进行530~560保温1~1.5小时的氧化处理。

探讨提高压铸模具寿命的具体措施(六)

1. 压铸模具设计应注意的事项

合理设计铸件,铸件要壁厚均匀,不要太薄、太厚,一般厚度为2~3.5mm 左右为好,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会形成的热节。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。

对于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过小,并且镶拼孔的内角要有较大的圆倒角,以免会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。型腔得到的受力有合金液充填时的压力、胀型力、冲击力,产品脱模时的拉力、磨察力,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源,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。




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