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。