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粘模问题及其与脱模剂的关系
发布日期:2018-07-27  作者:吴炳尧  浏览次数:545
核心提示:粘模是充型金属液高压高速反复冲击模具,致使模具钢表面和铸造合金产生化学反应,在模具表面形成化学反应层,导致铸件粘模的现象

粘模是充型金属液高压高速反复冲击模具,致使模具钢表面和铸造合金产生化学反应,在模具表面形成化学反应层,导致铸件粘模的现象,一般粘模最严重的是型芯。压铸件外观粘模时,轻者表面粗糙,影响外观粗糙度;重者表面脱皮、缺肉、拉伤、拉裂,甚至造成铸件漏气。粘模的形成与扩展不仅降低铸件的表面质量和尺寸精度,破坏模具表面特别是模具的浇道位置的致密层,而且增加模具修复工时与成本,甚至导致铸件废品和模具的早期失效。

高温高压下金属液和模具接触表面的状态非常复杂,尽管人们对压铸成形中粘模问题的研究正逐渐由宏观表面进入微观表面,由定性分析到建立数学模型分析,由单因素研究进入多因素综合研究,从静态研究发展到动态研究,但大多还是停留在直观的定性分析上。根据产生粘模的特定条件,总结出一些影响其形成和扩展的因素,并据此采取一些防范措施。目前达成共识的是:压铸工艺参数,模具设计,模具温度,模具表面质量,充型温度,脱模剂的化学成分和质量,喷涂工艺等对粘模均有重要的影响,而不是一出现粘模就凭直觉简单地和脱模剂挂钩。然而,脱模剂的质量和使用方法确实与压铸粘模有着千丝万缕的联系,对于压铸工作者来说,理解和认识他们之间的关系,知己知彼,才能更准确地掌控压铸工艺。

脱模剂本身是化工产品,与金属材料及成型工艺是不同的知识领域,但学科跨界交叉从来是创新发展的必然取向,笔者试图围绕“是什么力产生粘模?粘模主要受哪些因素的影响?如何防范?”等问题作浅显分析和归纳,并在此基础上,以铝合金压铸为例,进而谈谈脱模剂与压铸粘模的关系。

一. 粘模的物理化学性质

粘模理论是基于金属学、化学和机械学的一门综合性理论。从根本上看,粘模是铸件与模具界面材料分子或原子间的物理化学作用,其中最重要的是粘附力。

铝,锌,镁,铜等压铸金属材料和模具材料为多晶体结构,表面分子比内部分子有较大的势能,即表面能。他们都具有使其表面能趋向最低的本能,即驱使位于自由表面的原子排列达到平衡的本能。如果两金属表面相距十分近,为使表面能降下来,彼此之间的晶格会结合,出现粘着现象。众所周知,互相接触的固体间存在着引力,引力由金属键,共价键和离子键形成,属于短程键力。还有长程力的范德华力(Von Der Wools Force)。当接触距离在几纳米时,范德华力均起作用。在1纳米内,各种短程力开始起作用。要估算粘附结合的强度,首先要确定金属的内聚力,然后计算接触面的表面力。但由于金属的电子结构复杂,目前尚不能理论求解内聚强度。

从现象上看,粘模无非是化学上的结合,或是机械的咬合。和粘附强度有关的因素主要是:金属的种类,金属的互溶性,晶格的取向,接触时弹塑性变形的方式,弹性回复,偏析和氧化,位错和微裂,接触温度等。模具本身的表面硬化,表面粗糙度,接触压力等也是重要的因素。不同原子的结合能力不同,不同成分合金呈现出不同的粘模倾向性,故选择适当的模具材料和脱模剂配方,可最大限度减少铸件与模具的粘着。

二.压铸模粘铝现象形成原因

粘铝本身是金属间化学扩散反应。下图概括了发生在模具型腔内与粘模相关联的变化。粘模现象的成因可以从以下方面思考:

1) 化学成分

压铸合金与模具钢的亲和力越大,越容易互相熔融粘合在一起。当铝合金中铁含量低于0.7%时,模具表面铁原子因浓度梯度向铝液渗透的速度加快,易生成铁-铝或铁-铝-硅金属间化合物而粘模。显然纯铝的粘模倾向最严重,压铸常用的共晶铝硅合金粘模倾向则较小。镍有促进金属间化合物生长的作用,铝液中的夹杂及铬镍等都可能增加粘铝机会。高硅和增锰则可减慢中间金属相成长速度,减少粘模。少量锶(0.004%)和钛(0.125%)亦可减轻粘铝。

总之,严格控制合金成分在合理的范围内,并坚守铝合金液洁净,这是避免粘模的根基。

2)模具材料

模具材料占模具总成本的10%左右,20世纪50年代,国内普遍采用原苏联引进的3Cr2W8V热作模具钢,压铸1~2万模次,型腔即开始出现发丝状裂纹,粘模不可避免。90年代从美国引进优良钢种H13,作为强硬兼备的空冷硬化型热作模具钢,寿命可达15~20万模次,以该钢种为基体已延伸出多种近似钢号,如:日本(JIS)的SKD61;韩国(KS)的STD61;英国(BS)的BH13等。若选用的模具材料质量低下,其淬透性、韧性、耐磨性、热处理稳定性差,模具硬度不足,脱模时模具表面被压铸合金挤压变形,或型芯弯曲变形,增大了模具对铸件的脱模阻力,很容易因先天不足出现模具表面裂纹及焊合等缺陷,直接导致粘模。铸件粘模部位,往往呈现表面粗糙、脱皮或缺料等拉模痕迹,粘合严重的情况下铸件会被撕裂破损。模具型腔表面会粘附一层压铸合金,颜色泛白,如图示。

粘模之所以易于在模具热节处或正对内浇口处发生,是因为此处易于形成金属间化合物层,而且形成的金属间化合物层Al4FeSi与H13模具具有较强的结合强度。所形成的金属间化合物层较薄,是由于充型时,高速熔体对模具表面反复冲刷,使金属间化合物层从模具表面上剥离所致。耐磨材料Cr23C6能有效阻止铝合金熔体的化学冲击,减少模具材料的损失及粘模现象的发生。

 

3)模具设计

当压铸操作工艺正常,一副新模具却出现粘模,调试压铸工艺、喷涂虽能有所补救,但若不稳定,就说明主要原因是铸件结构设计、模具设计或制造的问题。

首先是内浇口设计,如流向、截面积、压射速度等控制不当,金属液直接冲蚀型芯或型壁,最容易出现粘模。如果冲击到定模一侧,则使定模一侧铸件的包紧力增加。当铸件整体或局部收缩对模具的包紧力分布不均衡合理,铸件就会因粘模出现偏、歪、斜、变形、裂纹、断裂,甚至粘到定模,或粘到动模顶不出来。若定模型腔或型芯成形表面脱模斜度过小或有反斜度,则使铸件脱模阻力增大,引起抽芯、取件时擦伤。此外,模具设计刚性不足,过早失去应有的精度;模具表面光洁度和表面强化处理缺失;动、定模上的冷却系统设计不合理,使模具工作温度不平衡稳定;存在热节点等均会导致粘模。

4)模具加工

模具在磨削过程中产生的摩擦热,会引起表面出现磨削裂纹。磨削应力的存在,也会降低模具的抗热疲劳能力。型腔表面,特别是浇道表面粗糙处或型面有少量擦伤及划线痕迹处,都是潜在的裂纹源。电火花精加工局部高温形成表层下的回火区,该区的组织及化学成分与基体不同,硬度高,加上表面残余应力的存在,抛光处理不到位都可能在模具使用早期形成细微裂纹,导致粘模。

5)压铸工艺

合金液充型温度过高,则加快铁的扩散和反应,润滑膜越容易被破坏,模具表面越易退火,更易受冲刷和粘铝。压射速度和压力过大、模具温度过高、模具硬度低,则容易发生熔融、焊合粘附和粘模拉伤。

6)脱模剂

脱模剂的首要功能是保护模具,形成牢固的润滑膜,以减少高速铝液对模具的热冲击。

劣质脱模剂没有保护模具的功能,因其化学成分决定了不可能在工艺要求的模温范围内,迅速结成牢固、光滑、保温、发气少、无残留且利于合金液流动的润滑膜,不论如何调整喷涂工艺,都不能改变其本质特征,因此粘模的隐患不可避免。

三.解决粘模问题的途径

    粘模问题是诸多因素的综合反应,因此解决粘模问题,必须从多角度分析判断,允许试错,但切勿主观臆断。笔者归纳的如下几条,纯属立足黑箱理论的经验技艺,即把模具视为黑箱,不深究其充型过程内部的变化,只关注黑箱的两端,即输入参数和成型效果。若要从根本上解决粘模,需要深入的微观理论研究成果作指导,其任重而道远。

1) 检查影响浇口速度的因素:冲头速度,冲头大小,比压,浇口尺寸,尽可能降低浇口速度或调整浇口走向,以较小角度接触到型腔表面,避免接触角接近180度,以减少对型腔的冲蚀,避免冲击型芯。降低充填时间,以缩小热冲击的窗口。

2) 调整模具冷却流道,特别是热节点及型芯易粘模处,必要时增加点冷却器。在粘模部位增加二次喷涂或镶入高导热模具材料,以降低粘模部位的模温,达到模温稳定均衡。

3) 在铸件最小的出模区域,高的充型压力可能促进粘模。在满足铸件质量前提下尽可能降低充型压力,静压和增压都重要,调压同时要根据PQ2图计算调节其他参数。

4) 高模温和浇注温度将提高粘模倾向,当有几个因素影响粘模时,降低模温或浇注温度是矫正的最好途径。

5) 易发生粘模的地方可使用高强度特殊材料,如Mo-785,Ti-6AI-4V和Anviloy 1150。各种模具表面处理方法可以明显减少粘模。如渗氮和碳氮共渗处理、物理气相沉积致密层如{TiAl}N和CrC和铝膜等、模具表面的强化处理,模具涂层---CVD,PVD,TD等。对已出现的粘模需尽快消除,如任其发展,将出现越来越多的困难和反复。

6) 选用成膜耐热温度高、模质坚固且润滑效果好的优质脱模剂。新模具试模时涂模具膏,以防止拉伤。对易粘模的高温区,可定期涂覆防粘蜡膏剂或局部补喷防粘蜡液体。

7) 仔细监测出模角度,其最大允许值要按照压铸模标准。

8) 压铸合金成分设计要兼顾可能导致粘模的因素,比如在允许范围内,控制铝合金中铁含量不低于0.7%为宜。要防止因混入低熔点金属而引起粘模。用中间合金调整化学成分时,除镁、锌等个别金属,不可将纯金属加入铝液中,防止因严重偏析而引起粘模。

净化的合金液流动性佳,可以扩大避免粘模的工艺窗口。

9) 压铸合金的收缩量越大,越容易粘模,高温强度也越差。有的合金是本身的收缩率较大,合金的液、固相温度范围越宽,合金的收缩量越大。根据铸件结构形状和复杂程度,如因收缩引起的粘模、变形很难排除时,则需考虑改用体收缩率和线收缩率小、高温强度高的合金;或调整合金成分(如铝硅合金中硅含量增加时,铸件收缩率变小)降低其收缩率;或对合金进行变质处理,如在铝合金液中添加0.15%~0.2% 的金属钛等品粒细化剂,以减小合金的收缩倾向。

四.脱模剂与粘模的关系

压铸是动态热力学过程,铝锌等合金有很强的附着至型腔表面的趋势,喷涂脱模剂能充当型腔和液态金属间分型剂的作用,防止金属粘附到型腔表面。脱模剂的慎重选取(成分,结膜温度,发气量,残留物,结膜强度,对后续表面涂镀的影响等)与合理的操作工艺(脱模剂浓度,模温分布,雾化工艺,喷涂时间及距离等)是防止粘模的重要因素。

半个多世纪以来,随着压铸技术的进步,脱模剂也相应改善。这些改善包括脱模剂成分,成膜性,耐温性,润滑性,防止粘模与焊合,以及符合环保要求,对身体无害并安全。由早期的油+石墨涂料,向水基涂料发展,从普通油基皂质乳液系列到目前广泛应用的改性硅油系列的水基脱模剂,无水浓缩脱模剂(用于微喷涂),并向反应性半永久涂料和粉体无机涂料发展。但至今,尚没有一种脱模剂既能提供所有可能的性能又没有使用限制或缺点。半永久型涂料已试用于锌合金压铸,它与模具表面系化学联结,698ºC时涂层稳定,但易磨损掉,需设法延长其耐用性。对铝和镁合金的压铸来说,主要是如何提高涂层的热稳定性,从环保和安全的角度,还应顾及降低或消除其中的有害溶剂。近些年来,大量研究工作指向半永久模和永久模,通过开发新涂层,克服焊合与粘模,最终弃用脱模剂,这是颠覆性的创新。然而至今获得的成果尚不能实现工业应用,主要问题是涂层的持久性、涂覆方法及价格问题。

在可预见的将来,对各类脱模剂的开发研究仍然必不可少。压铸件成型表面与模具表面之间有相当大的接触压力,压铸时铸件受到三向非均匀分布的压应力,因此喷涂脱模剂结成的润滑膜易破裂,高温也使润滑膜产生化学变化。成型过程中二次挤压会有少量新的金属表面出现,新的表面物理化学性能与原先的金属表面不同,也没有润滑剂保护,易与模具粘着,使模具磨损。同时铸件内部变形不均匀分布所产生的附加应力和残余应力,也增加了取件的难度,直至粘模。

对于模具来说,由于压铸工艺和模具温度场的变化,成形过程是一种间断的非稳定的摩擦,且模具不同部位各不相同。在此状态下的润滑机理不能用普通物理学中的库仑摩擦定理进行分析与描述。国内外专家曾先后提出机械—分子摩擦理论,黏着—梨沟摩擦理论,边界摩擦,混合摩擦,弹性黏流摩擦理论等,同时研究了各种复杂化学成分的润滑剂。

以前用来降低模具粘铝的石墨脱模剂,由于对环境的影响现在已经不再采用。脱模剂的机理是在铸件和模具之间形成一层防护膜,同时防止铝合金液与模具表面直接接触。这就要求脱模剂要有足够的强度来承受铝合金液的分离与冲击。模具表面的温度一般控制在合金浇注温度的35%~45%,以便脱模剂能充分吸附在模具表面上,对模具起到防护作用。模具的近浇口部位、深凹槽部位容易发生粘铝。发生铝合金粘模的模具表面形状如图示。这些不规则小凹坑的最初直径约为0.6微米,最后慢慢地发展成为直径达3.6微米的小凹坑。随着形成粘模倾向的增强,这些小凹坑的直径可以达到15µm,最终形成裂纹。这些小凹坑和裂纹最后都充满了铝,并且还可能发生机械粘接。

脱模剂的作用是分离模具与压铸件的表面,降低模具的损伤,使铸件表面光洁,同时

 

对模具起到冷却、调节与控制的作用。脱模剂与模具表面可以产生非极性或极性物理吸附膜,化学吸附膜及化学反应膜。当脱模剂中没有极性分子时,脱模剂只能在模具表面产生非极性物理吸附膜;反之则产生极性物理吸附膜。后者的强度要大于非极性物理吸附膜。当脱模剂组分中的原子与模具表面的原子可使用共同的电子时,就会在模具表面产生化学吸附膜。其强度又高于极性物理吸附膜。在一定的接触压力和温度下,脱模剂中的极压剂也可能与模具表面发生化学反应产生化学反应膜。它的强度又大于化学吸附膜。一般说来,脱模剂的吸附膜强度越高,防止粘模的效果越好。因此根据不同的压铸件,选择相应的脱模剂以形成高强度的吸附膜是非常重要的。

用一般矿物油制备的水基脱模剂,为非极性烃类有机化合物(CnH2n+1)。所形成的薄膜对模具表面的吸附力和分子本身的内聚力都很弱,膜强度很低。用动植物油,如脂肪酸,脂肪酸钠皂,酸类(R-O-H)等制备的水基脱模剂,其内部一端为非极性的烃基,另一端为极性端,这种具有永久偶极的分子与模具表面接触时,极性端与模具表面吸引,而非极性端朝外,定向排列在金属表面上,其吸附分子的层厚仅几个纳米,当有极化添加剂加入时,它可以聚合在模具表面形成固体膜,同时加强分子的侧面吸附力。这种物理吸附膜的强度和润滑性

远高于非极性分子的物理吸附膜。

物理吸附膜对温度很敏感,被吸附在模具表面上的极性分子处在不断吸附和脱附的动态平衡状态。温度上升,脱吸增多,吸附膜厚度减小,边界吸附膜强度降低,使分子脱吸,乱向,甚至薄膜熔化,反之亦然。物理吸附膜只在低接触压力和低温条件下有效,因此这类脱模剂只能在低模温下发挥作用。物理吸附没有选择性,而化学吸附具有明显的选择性,即某种吸附剂只对某些物质有吸附作用。因此应根据模具和压铸材质,压铸工艺条件(如模温,铸件壁厚,充型温度,压力等)选用不同的脱模剂,才能获得理想的效果。

以改性硅油高分子聚合物为主体制备的水基脱模剂,其极性分子与模具表面是化学结合,属于化学键力与表面结合形成的化学吸附。故膜的耐热性好,热稳定性高,吸附膜不可逆,附着力强,离型效果好。虽然价位略高,但对于要求高模温、高压力、大型薄壁复杂件的压铸,其防止粘模优势明显。

喷涂工艺对防止粘模很重要。操作工发现粘模,往往自然推理,认为是浓度低或剂量少,成膜太薄,不足以抵抗金属液的热应力和紊流冲击,随即在粘模处多喷一些脱模剂。其结果往往是造成局部涂料堆积或残留,引发气孔,使问题更复杂化。正确的做法应是在已发生粘模的区域,涂覆一种具有抗粘模性的膏剂---防粘蜡,进行特殊处理。防粘蜡是一种易于涂刷的抗焊合软膏,它由半合成的高温原材料配制而成。有效组分不含有害物质,膏剂中耐高温的钨基化合物或者钼基化合物含量较高,可以有效地避免铝合金的界面效应,阻止粘模。

模温是影响脱模剂吸附效果的重要因素。太低(低于150ºC),模温迅速降至水的汽化点以下,脱模剂无法沉积在模具表面,只是从模具表面一冲而过,且载体水来不及汽化易导致弥散性气孔;模温过高,(398ºC以上),脱模剂被模具表面蒸汽层排斥,均会使脱模剂吸附量大降,只有达到脱模剂本身特性要求的润湿温度,才能真正与模具表面接触形成致密的涂层,起到隔离作用。

喷射工艺也直接影响吸附效果,一般喷射管路气压比脱模剂压力高0.35-0.70bar时(大面积喷涂可能要求1.05bar),雾化效果好;对于微喷涂和脉冲喷涂,雾化效果更为重要。至于喷涂时间,短至0.10-2.0秒就足以形成足够厚的隔离膜,脉冲喷涂的时间就在这个范围,但因脱模剂目前还被大量用来冷却型腔,一般要5.0-120秒,显然部分脱模剂只是流过模具表面被浪费掉了。随着更复杂精确的自动喷射装置的出现,喷射角度和距离只需在投产前调优固定即可。

我认为,对于使用脱模剂的压铸工程师来说,重要的不是穷尽脱模剂的专业知识,然后依照自己的判断选用,而是应当学习欧美压铸行业的做法,让专业生产脱模剂的厂家根据压铸厂家提供的压铸件结构图、压铸机吨位、铸件性能要求及后处理工艺要求,推荐最适宜的脱模剂型号和使用方法,直至达到满意效果。因为真正专业生产脱模剂的厂家,一定最了解脱模剂的性能特点,与他们互动,才能去掉盲目性,使生产保持良性循环。很少见到先进压铸企业频繁更换脱模剂的品牌,因为他们不愿意由此造成工艺波动而自找麻烦,也不会出现国内持续多年至今仍潜在的某些因利益链而实施脱模剂购买暗箱操作、以次充好的乱象;以及不讲科学只问价格的短视行为。为了我国压铸业的技术进步,必须铲除在脱模剂生产、销售及购买使用中的乱象,让道德与科学的铁规生威。

五.正确处理模具粘模

    压铸生产的核心是合金熔炼与模具的质量。在防范和处理粘模的所有因素中,选择优质的模具材料是基础,模具设计加工与规范的热处理是关键,使用过程中及时有效地维护、保养是主要途径。出现粘模,经常会出现执行压铸工艺方与模具制造方互相指责,这可以理解,因为诱发粘模的因素多种多样,一时难以准确判断。但无论如何,本征落在了模具上,因此对已出现粘模的模具,首先应注意从模具本身分析处理。

1)压铸模具表面抛光必须达到要求。彻底打磨去除电火花EDM硬质层,型面不可高度抛光。

2)及时清理压铸模具上的粘铝,并对模具及时进行表面处理和去应力。如果模具表面出现粘附铝,表面还有小气泡,用砂布和油石抛光表面后又反复粘模,较好的处理方法是对粘模的模具表面进行喷丸处理,或在粘模部位的模具表面,制作出宽0.2~0.5 mm、深0.2~0.5 mm、间隔2~5 mm 的网状花纹,可以消除铸件表面粘模的缺陷。

3)设法将模具容易粘铝处的温度降到最低。

4)使用熔点较高的特种材料对模具进行表面处理,并且可以将其粘合在模具表面发生粘模的位置上,以避免发生粘模。如钼合金、钨合金、钛合金、特种氮化物或低温碳氮化合物等新材料。铝钼之间的活化能较高,因此在模具表面使用钼渗入可以有效地提高抗粘模性能。

5)对于新模具和容易出现铸件粘留定模的模具,在压铸之前,应先对模具进行很好的

预热,通过火焰喷枪加热模具。不允许合模直接浇入合金液进行加热,预热温度控制在180~220ºC。并在开始低速压射之前,先对模具型腔涂抹模具膏,并用压缩空气吹均匀,每压铸一模涂抹一次,试压铸约20模,对避免拉伤模具很有效。如还粘定模,说明模具有问题,需检修模具

6)拆卸模具上活动部分或小型芯时,只允许使用软的铜、铝、铅棒或橡皮榔头轻轻敲

击,避免损伤模腔。

7)压铸至一定模次后,定期对模具进行去应力处理。

 

引起压铸粘模的原因有许多,解决粘模的措施也是各有不同。应该仔细观察和分析粘模的原因,有针对性地采取相应的措施。目前,对粘模现象形成机理的研究尚处于定性分析阶段,不同的合金材料呈现出不同的粘模倾向性;需要在寻找更为有效试验方法的基础上,在定量化理论研究结果的指导下,开展进一步的试验研究。

随着新材料、新工艺技术的不断涌现,解决粘模问题的新思路和新方法甚至是颠覆性的创新技术正在冲击现有的赖以防止粘模的传统法则,比如北美压铸正在研发具有自愈合功能、无需脱模剂的永久型模具,未来可能使现有的工艺技术被翻转或淘汰。因此需要我们不断吸收压铸先进技术,同时保持科研耐心,稳扎稳打,中国压铸的新飞跃指日可待。


作者:吴炳尧

东南大学材料科学与工程学院  教授 博士生导师(现已退休)

电话:025-93794245

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邮箱:xiuwu38@hotmail.com, wby1946@aliyun.com

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