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如何延長(zhǎng)壓鑄模具使用壽命

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2015-01-19
核心提示:金屬壓鑄是先進(jìn)的少、無切削工藝,具有生產(chǎn)效益高、節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本、鑄件性能好、精度高等特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。其中壓鑄鑄件最大的市場(chǎng)是汽車工業(yè),隨著人類更加關(guān)注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù),汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保的最佳途徑。用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵制造汽車,可使整車重量減輕30%左右。


金屬壓鑄是先進(jìn)的少、無切削工藝,具有生產(chǎn)效益高、節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本、鑄件性能好、精度高等特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。其中壓鑄鑄件最大的市場(chǎng)是汽車工業(yè),隨著人類更加關(guān)注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù),汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保的最佳途徑。用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵制造汽車,可使整車重量減輕30%左右。由于壓鑄模具是在高壓(30150MPa)下將40016000C的熔融金屬壓鑄成型。成型過程中,模具周期性地經(jīng)加熱和冷卻,且受到高速噴人的灼熱金屬?zèng)_刷和腐蝕。模具用料要求有較高的熱疲勞抗力、導(dǎo)熱性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學(xué)性能。要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅靠模具材料的應(yīng)用仍然很難滿足,必須將各種表面處理技術(shù)應(yīng)用到壓鑄模具的表面處理當(dāng)中才能達(dá)到對(duì)壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。

 

2、壓鑄模失效形式

壓鑄模工作時(shí)與高溫的液體金屬接觸,不僅受熱時(shí)間長(zhǎng),而且受熱的溫度比鍛模還高,壓鑄有色金屬的溫度300800℃,壓鑄黑色金屬的溫度達(dá)1000℃以上。還承受了很高的壓力30150MPa,受到反復(fù)加熱和冷卻以及金屬液流動(dòng)的高速?zèng)_刷而產(chǎn)生的磨損和腐蝕,并被反復(fù)加熱、冷卻,加工環(huán)境較惡劣。據(jù)失效形式統(tǒng)計(jì),用3Cr2W8V作壓鑄模材料,65%是熱疲勞,15%是開裂,6%是磨耗,4%是沖蝕失效。

 

2疲勞裂紋

熱疲勞裂紋是壓鑄模最常見的失效形式,占失效比例大。壓鑄過程中壓鑄模在3008000C的熱循環(huán)及脫模劑導(dǎo)致的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交變循環(huán),反復(fù)經(jīng)受急冷、急熱所造成的熱應(yīng)力,導(dǎo)致在型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處逐漸產(chǎn)生微裂紋,其形貌多數(shù)呈現(xiàn)網(wǎng)狀,稱龜裂,也有呈放射狀。熱應(yīng)力使熱疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展成宏觀裂紋。從而導(dǎo)致壓鑄模失效。熱疲勞裂紋是熱循環(huán)應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用而產(chǎn)生的。塑性應(yīng)變促進(jìn)裂紋的形成,拉伸應(yīng)力促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展與延伸。從微觀分析,熱疲勞裂紋在晶界碳化物、夾雜物集中區(qū)萌生,應(yīng)選鋼質(zhì)潔凈、顯微組織均勻的優(yōu)質(zhì)模具鋼有較高的熱疲勞抗力。

 

2整體脆性開裂

整體脆性開裂是由于偶然的機(jī)械過載或熱過載而導(dǎo)致壓鑄模災(zāi)難性斷裂。材料斷裂時(shí)所達(dá)到的應(yīng)力值一般都遠(yuǎn)低于材料的理論強(qiáng)度,由于微裂紋的存在,受力后將引起應(yīng)力集中,使裂紋尖端處的應(yīng)力比平均應(yīng)力高得多。壓鑄模脆性開裂引起的原因很多,而材料的塑韌性是箱對(duì)應(yīng)的最重要的力學(xué)性能。模具鋼中夾雜物減少,韌性明顯提高,在生產(chǎn)中整體脆裂的情況較少發(fā)生。

 

2溶蝕或沖蝕

熔融的金屬液以高壓、高速進(jìn)入型腔。對(duì)壓鑄模成型零件的表面產(chǎn)生激烈的沖擊和沖刷,造成型腔表面的機(jī)械沖蝕,高溫使壓鑄模硬度下降,導(dǎo)致型腔軟化,產(chǎn)生塑性變形和早期磨損。在填充過程中,熔液產(chǎn)生湍流導(dǎo)致的空蝕效應(yīng)或熔液中的微小顆粒產(chǎn)生的沖刷,高溫金屬液中雜質(zhì)和熔渣對(duì)模腔表面產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)變化,產(chǎn)生化學(xué)腐蝕,熔融金屬液逸出氣泡使型腔發(fā)生氣蝕,這種機(jī)械和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果都在加速表面的腐蝕和裂紋的生成。提高模具材料的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強(qiáng)材料的抗侵蝕能力。

 

3、影響熱疲勞的因素

 

3模具溫度影響

壓鑄時(shí)速度很高,壓力很大,模具表面受到很強(qiáng)的沖擊負(fù)載,模具表面接觸高溫熔體,其溫度最高8700C,在這樣高溫急熱下,模具表面產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力。每次壓鑄前在模具內(nèi)噴潤滑劑進(jìn)行急冷,模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,這種交變熱應(yīng)力在超過模面的屈服強(qiáng)度時(shí)在表面產(chǎn)生熱疲勞微裂紋,急劇擴(kuò)散,向心部擴(kuò)散形成龜裂。將引起鑄件拉傷及粘模,嚴(yán)重的造成模具早期開裂。

 

3材料基本特性

壓鑄在急熱急冷的壓鑄環(huán)境下工作,對(duì)壓鑄模材料有以下要求:

(1)抗熱疲勞和抗熱沖擊性能好,不易產(chǎn)生裂紋。

(2)韌性和延展性好,改善模具尖角和凸出部分的抗沖撞擊能力。

(3)良好的熱硬性、熱強(qiáng)性,淬透性,耐磨性和高溫抗氧性。

(4)熱處理變形小,熱膨脹系數(shù)小等等。常用于壓鑄模的以鉻、鎢和鉬為主的熱作模具鋼3Cr2W8VH13(4Cr5MoSiVl)。目前,使用壓鑄模多用H13鋼,是以合金元素鉻為主的熱作模具鋼,具有良好的韌性、熱疲勞抗力和抗氧化性,經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?,其使用壽命可達(dá)到相當(dāng)高的水平,現(xiàn)已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應(yīng)用,國外90%以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。模具材質(zhì)控制很重要。壓鑄模用的H13鋼必需是鋼質(zhì)潔凈,組織均勻,偏析輕微,等向性好的優(yōu)質(zhì)鋼。國外優(yōu)質(zhì)H13鋼的生產(chǎn)過程中采用了一系列先進(jìn)工藝技術(shù),如通過真空除氣、電渣重熔等精煉技術(shù)提高潔凈度,再通過多向扎制或反復(fù)墩鍛及采用超細(xì)化處理技術(shù),使H13鋼具有優(yōu)良的內(nèi)在質(zhì)量。運(yùn)用先進(jìn)冶煉工藝提供更多的高純度壓鑄模具鋼,是今后的方向。

 

4、壓鑄模熱處理流程

通過熱處理可以改變材料的金相組織,以保證必要的強(qiáng)度和硬度、高溫下尺寸的穩(wěn)定性,抗熱疲勞性能和材料的切削性能等。經(jīng)過熱處理后的零件要求變形量少,無裂紋和盡量減少殘余內(nèi)應(yīng)力的存在。目前壓鑄模一般采用真空氣體淬火,表面沒有氧化物,模具變形小,更好保證模具質(zhì)量,其流程為鍛造_球化退火_粗加工一穩(wěn)定化處理_精加工_最終熱處理(淬火、回火)_鉗修_拋光_+滲氮(或碳氮共滲)_精磨或精研_裝配。對(duì)H13鋼采用高溫淬火、雙重淬火、控制冷卻速度淬火、深冷處理等,從而改善模具性能,提高模具壽命。

 

5、壓鑄模表面強(qiáng)化處理

對(duì)模具進(jìn)行表面處理是延長(zhǎng)模具壽命的最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。通過調(diào)整一般熱處理工藝改善鋼的強(qiáng)度和韌性。采用不同的表面強(qiáng)化處理工藝,以適宜的心部性能相配合,可賦予模具表面以高硬度、耐磨耐蝕、抗咬合和低摩擦系數(shù)等許多優(yōu)良性能,使模具壽命提高幾倍甚至幾十倍。模具表面強(qiáng)化主要有3類:①不改變表面化學(xué)成分,有激光相變硬化等;②改變表面化學(xué)成分,滲氮等;③表面形成覆蓋層,氣相沉積技術(shù)處理等。

 

5不改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化

激光強(qiáng)化處理:激光作為熱源對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化,有相變硬化、表面溶化、表面涂覆等。其特征是供給材料表面功率密度至少103VC/em2。利用高功率、高密度激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法稱為激光面熱處理。其分為激光相變硬化、激光表面合金化等表面改性,產(chǎn)生其他表面加熱淬火強(qiáng)化達(dá)不到的表面成分、組織及性能的改變。

 

激光熔覆技術(shù)模具表面覆蓋一層薄的具有一定性能的熔覆材料,以改善表面性能。H13鋼常規(guī)處理后硬度44HRC,經(jīng)激光淬火,表面硬度可達(dá)772HV(相當(dāng)于62HRC),淬硬層深度063ram。由于得到以超細(xì)化高密度位錯(cuò)性馬氏體為主的組織,以及激光加熱后自回火過程中析出彌散碳化物,使得淬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高。激光熔覆技術(shù)以其加工精度高,熱變形小,后加工量小等特點(diǎn)具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

 

電火花表面強(qiáng)化:電火花表面強(qiáng)化是利用電極與工件間在氣體中產(chǎn)生的火花放電作用,把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)工件表層,形成合金化表面強(qiáng)化層,常用的電極材料有TiC、WCZrC和硬質(zhì)合金等,因電極材料的沉積發(fā)生有規(guī)律的、較小的長(zhǎng)大,改善工件的表面物理及化學(xué)性能。如硬質(zhì)合金做電極強(qiáng)化工件,表面硬度可達(dá)1,1001,400HV,強(qiáng)化層與基體結(jié)合牢固嗍。

 

52改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化

(1)滲碳。

滲碳是把鋼置于滲碳介質(zhì)中,加熱到單相奧氏體區(qū),保溫一定時(shí)間,使碳原子滲入鋼表面的表面化學(xué)熱處理工藝。滲碳在At3以上(850℃一950)進(jìn)行。其目的使模具的表面在熱處理后碳濃度提高,從而使表層的硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度較心部有較大的提高,而心部保持一定強(qiáng)度和較高的韌性。有固體滲碳和液體滲碳。

 

(2)滲氮。

滲氮在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞極限、熱硬性及抗咬合性等。一般壓鑄模經(jīng)淬火、回火(4547HRC)后,必須進(jìn)行滲氮,氮化層深度為01502mm。有氣體滲氮,離子滲氮。H13鋼作擠壓鋁型材的空心模,經(jīng)1,080℃油淬+560%:x2h兩次回火,硬度48HRC。經(jīng)過520x4h的離子滲氮,模具擠壓的型材從1,000kg提高4,500kg,壽命提高了3倍。

 

(3)NC共滲(軟氮化)。

軟氮化實(shí)質(zhì)是在較低溫下進(jìn)行的以滲氮為主的碳氮共滲。經(jīng)軟氮化處理后,可顯著提高表面的疲勞強(qiáng)度及耐磨性、抗咬合、抗擦傷和腐蝕等性能“01

H13鋼由于滲氮化合物中,相對(duì)韌性較低,膨脹系數(shù)較大,對(duì)熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響。在軟氮化時(shí),由于C8相中溶解度高(550℃時(shí)達(dá)38),軟氮化溫度在565℃以下附近較好。即能保證滲速,又能使£+1’所需的N濃度較高,可在表層形成£之前有更多的N滲人基體,這樣在第二階段N原子擴(kuò)散時(shí),有利于形成合理的擴(kuò)散層。軟氮化時(shí)間以24h為宜,超過6h,滲N層不再增加,硬度在23h達(dá)到最大值。實(shí)踐證明比較合理的氣體軟氮化工藝如圖1所示。
 

(4)表面滲鋁

滲鋁指鋁在金屬或合金表面擴(kuò)散滲入的過程。滲鋁目的是提高材料的熱穩(wěn)定性、耐磨性和耐蝕性。對(duì)模具表面進(jìn)行先滲鋁后氧化的方法,使表面生成FeA10的混合物,以減少粘模的發(fā)生,從而延長(zhǎng)模具的壽命。常用滲鋁有3種:固體粉末滲鋁、熱浸鍍鋁、表面噴鍍鋁再擴(kuò)散退火。

 

(5)模具滲鉻

滲鉻可提高型腔表明硬度(1,300HV以上)、耐磨性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和抗高溫氧化性。對(duì)承受強(qiáng)烈磨損的模具,可顯著提高使用壽命。滲鉻時(shí),加熱到950℃~1,100℃,保溫5h10h即可形成一層結(jié)合牢固的滲鉻層。滲鉻層厚度一般較小,不影響模具型腔的尺寸。如對(duì)壓鑄件的一般形狀及尺寸來說,鋁合金壓鑄模3Cr2W8V,經(jīng)滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右。

 

5表面形成覆蓋層強(qiáng)化

氣相沉積技術(shù):氣相沉積技術(shù)是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程,改變工件表面成分,在表面形成具有特殊性能(超硬耐磨或特殊的光學(xué)、電學(xué)性能)的金屬或化合物涂層的新技術(shù)。

 

化學(xué)氣相沉積(CVD)的沉積物由引入高溫沉積區(qū)的氣體離解所產(chǎn)生。CVD處理的模具形狀不受限制,可在含碳量大于08%的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、鑄鐵以及硬質(zhì)合金等表面上進(jìn)行。在模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝,其覆層硬度高達(dá)3,000HV,使模具耐磨性和抗摩擦性能提高。CVD處理后還需要進(jìn)行淬火回火。采用TiC、TiN的復(fù)合涂層,使模具壽命成倍提高。

 

物理氣相沉積(PVD)鍍鈦加工采用納米涂層的新技術(shù),在模具表面沉積多層多元素金屬薄膜(膜層厚度為l71a,m),這層膜具有耐磨損、抗腐蝕,高硬度的功能,由于這層膜不與鋁、鋅等金屬溶液親和或發(fā)生反應(yīng),能極大地改善壓鑄件的離模性能而不發(fā)生粘?,F(xiàn)象。在改善液體金屬粘模和熱龜裂方面取得最佳效果,有效解決壓鑄模具碰到的問題,以獲得最優(yōu)的綜合使用性能,解決了傳統(tǒng)工藝所無法解決的問題。

 

6、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及壓鑄工藝

減少模具上尖角、拐角的地方,合理使用材料,規(guī)范加工和熱處理工藝。模具的氮化處理要控制模具的表面硬度HV,>600,氮化層深度達(dá)到01202mm。正確的預(yù)熱模具,優(yōu)化模具以改進(jìn)內(nèi)部冷卻,使模具獲得均勻熱平衡效果,使模具維護(hù)穩(wěn)定較低的溫度,合理噴涂涂層,涂層對(duì)延緩熱疲勞裂紋有重要意義,提高模具壽命和效益。

 

模具壓力加工是機(jī)械制造的重要組成部分,而模具的水平、質(zhì)量和壽命則與模具表面強(qiáng)化技術(shù)息息相關(guān)。壓鑄模的工作條件極為復(fù)雜和惡劣,影響模具失效的主要是熱疲勞。我國鋁壓鑄模技術(shù)有了一定的發(fā)展,但與國外先進(jìn)水平相比差距很大,其中模具壽命尤為突出。國外可達(dá)到815萬模次,國產(chǎn)模具壽命一般在48萬件之間,平均6萬件,模具壽命短,直接導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降和產(chǎn)品成本的提高。模具工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),模具工業(yè)的發(fā)展水平是衡量國家工業(yè)水平及鑄件開發(fā)能力的標(biāo)志,從而采用延長(zhǎng)壓鑄模使用壽命地最佳措施,這將對(duì)降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要地現(xiàn)實(shí)意義。

 

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