提高壓鑄模具壽命的措施

李恒揚(yáng)

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西 柳州 545006）

壓鑄模服役條件較為苛刻，工作時(shí)反復(fù)承受高速（10～20 m/s）、高壓（35～120 Mpa）、高溫（650～700℃）合金液的沖擊和噴涂水基脫模劑的沖擊。因此，對(duì)模具在工作中產(chǎn)生的熱疲勞、沖蝕、裂紋、表面壓傷等要有充分的預(yù)防措施。

1 大型壓鑄模設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)大型而復(fù)雜的壓鑄模具，要遵循以下幾個(gè)準(zhǔn)則：

（1）模具結(jié)構(gòu)必須結(jié)實(shí)，模殼要有足夠的剛性和強(qiáng)度；

（2）型腔部分的零件盡量采用鑲塊，長(zhǎng)的零件更應(yīng)該如此；

（3）模具中的易損零件要便于裝拆和更新；

（4）采用最可靠的鋼材制造型腔和型心并充分注意熱處理工藝，使鋼材達(dá)到最佳韌性和硬度；

（5）滑動(dòng)的零件熱處理后要作表面附加處理，確保不致出現(xiàn)粘模或咬死現(xiàn)象；

（6）有良好而合理的模具冷卻系統(tǒng)，自動(dòng)控溫裝置必不可少；

（7）為減少熱處理后的變形，所有鑲塊的尺寸能小則小；

（8）大模具的滑塊要分成兩件，型心部分需用1.2343或1.2344熱模鋼，而滑塊的延長(zhǎng)塊可用1.2311鋼制成，兩者的聯(lián)結(jié)要緊固可靠，滑塊和模殼的導(dǎo)軌也要用1.2311鋼，熱處理后再氮化處理，保證其耐磨性；

（9）設(shè)計(jì)大模具的抽芯，其行程應(yīng)留有充分余地，抽芯的端面應(yīng)與模殼的外邊緣至少相距50 mm，便于清除碎屑及修理；

（10）鑲塊的成形部分要絕對(duì)避免銳角，過(guò)渡區(qū)應(yīng)有足夠大的圓弧，一般應(yīng)在3 mm以上，避免應(yīng)力集中；

（11）設(shè)計(jì)大模具時(shí)，最好用發(fā)泡塑料澆出，避免因立體感不足，待上機(jī)裝模時(shí)受空間限制無(wú)法安裝而返工。

2 壓鑄模材料的選擇

除滿足以上設(shè)計(jì)要求外，材料的選用是最重要的。在選擇壓鑄模具材料時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

2.1 動(dòng)、定模殼材料選擇

動(dòng)、定模殼材料可用澆注鋼或鍛鋼，但必須保證其材料化學(xué)成分及材料機(jī)械性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)為：調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度為850～1 050 N/mm2；屈服點(diǎn)為630～750 N/mm2；延伸率≥12%；收縮率≥145%；沖擊強(qiáng)度≥40 J/cm2，且材料還需經(jīng)過(guò)超聲波探傷。

2.2 鑲塊材料選擇

鑲塊鋼材一般采用X38CrMoV51或X40Cr-MoV51，并且達(dá)到：

（1）材料的金相組織要均勻：為提高熱疲勞強(qiáng)度，應(yīng)具有高韌性和耐熱性，但韌性和強(qiáng)度常不能兼有，增加合金元素，韌性即下降而耐熱性有所改善。非金屬的夾雜物和偏析也會(huì)嚴(yán)重影響疲勞強(qiáng)度和韌性。

（2）硬度要足夠高而且均勻：大型模具應(yīng)定為HRC38～43；中型模具可取 HRC43～47。

（3）回火后的穩(wěn)定性高：鋼材經(jīng)熱處理后，在使用過(guò)程中能保持長(zhǎng)期而穩(wěn)定的硬度。

（4）高的沖擊韌性：使用中長(zhǎng)期不發(fā)生裂紋且無(wú)塑性永久變形。

（5）質(zhì)純及低的含硫量。

（6）材料中的碳化鐵成分在退火金相組織中必須分布均勻。

（7）高的抗沖蝕性：在壓鑄模中，熔融金屬以極高速度（50～70 m/s）進(jìn)入型腔，鋼材表面受到嚴(yán)重的沖蝕，造成粘模或拉傷等。

（8）良好的焊接性。

3 其他影響

除了設(shè)計(jì)、材料因素外，在制造過(guò)程中的零件毛坯鍛造、工序間的加工余量分配、熱處理方法及后續(xù)的處理方法等都對(duì)模具的壽命產(chǎn)生一定的影響。

3.1 毛坯鍛造及球化退火處理

為保證壓鑄模內(nèi)部組織致密，碳化物及流線分布合理，消除材料物理性能方向性，壓鑄模成型零件都需要采用鍛造方法準(zhǔn)備毛坯。鋼材必須各向鍛造，在特殊情況下才允許拔長(zhǎng)，一般以鍛成方錠為好，各面的加工余量要均勻一致，否則在熱處理時(shí)由于出現(xiàn)軟點(diǎn)而引起龜裂。鍛造后的毛坯內(nèi)部組織變成不穩(wěn)定的結(jié)晶，其硬度高、力學(xué)性能差，使得切削困難，內(nèi)應(yīng)力大，在加工過(guò)程中和隨后的淬火處理時(shí)容易產(chǎn)生較大的變形和淬裂現(xiàn)象，因此需及時(shí)進(jìn)行球化退火處理。

3.2 熱處理前的準(zhǔn)備

凡模具鑲塊的截面變化不大，加工切削量適中時(shí)，采用以下工藝：

（1）在粗加工時(shí)應(yīng)留2～5 mm余量，從大截面至小截面要逐步過(guò)渡，圓角不小于10 mm。

（2）在750℃下消除內(nèi)應(yīng)力，保溫時(shí)間按工件大小決定，爐冷至400℃，然后空氣中冷卻。

（3）對(duì)高精度鑄件的模具，粗加工后先加熱消除內(nèi)應(yīng)力然后再精加工，并留1～2 mm余量。大模具的圓弧半徑尺不得小于5，否則熱處理時(shí)極易開(kāi)裂。

（4）當(dāng)工件加工完畢，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，即可進(jìn)行熱處理。預(yù)熱可分三段進(jìn)行，即400、650、850℃。

（5）升溫至淬火溫度（1 000～1 020℃），為確保工件完全熱透，保溫時(shí)間可按0.15 min/mm決定。

（6）取出工件在5 00℃的鹽浴中急冷，保溫一段時(shí)間，進(jìn)行均勻處理。

（7）進(jìn)行三次回火作業(yè)，每次分兩段加熱，先加熱至400℃，然后加熱至550℃左右，如圖1所示。

（8）最后精加工至圖紙要求的尺寸。

圖1 三次回火作業(yè)要求

3.3 表面處理

（1）氧化處理。當(dāng)模具鑲塊全部加工并熱處理后，在裝配前可再次加熱至較末次回火溫度低50℃，保溫約1小時(shí)，使表面形成氧化層。這樣可以防止粘模現(xiàn)象，還降低了模具的傳熱系數(shù)，減少模具表層溫度梯度，緩和溫度的交替沖擊。

（2）鹽浴氮化。Tefnieren是軟氮化的一種，一般在570℃左右進(jìn)行，經(jīng)氮化后也能防止粘模，表面硬度可達(dá)HV900，硬化深度為0.01～0.03 mm，滲透深度可達(dá)0.3 mm。

（3）鍍硬鉻。鍍硬鉻對(duì)于細(xì)長(zhǎng)而斜度在1°以下的型心特別有用。鍍鉻層約厚0.03 mm，可防止銹蝕，為使鍍層不易剝落，鋼的基體硬度不允許超過(guò)HRC50。該鍍層硬度在室溫時(shí)為HV900～1000，在300℃時(shí)為HV700。

（4）碳化鎢涂層。用電火花強(qiáng)化模具表面，對(duì)防止粘模、沖蝕特別有效，常用于模具的分流器、料筒內(nèi)孔及內(nèi)澆注口表面，澆注次數(shù)可達(dá)10～20萬(wàn)次。

3.4 模具的冷卻

為提高模具壽命和鑄件的品質(zhì)，中大型模具必須采用模具自動(dòng)控溫裝置，對(duì)形狀復(fù)雜的部位還可以采用熱管吸熱，使無(wú)法安置冷卻通道的部位迅速散熱。直接應(yīng)用水冷卻的模具，冷卻通道應(yīng)經(jīng)常用弱酸去除堿性水垢。

3.5 模具使用過(guò)程中消除應(yīng)力

壓鑄模在工作時(shí)的急冷急熱會(huì)導(dǎo)致模具內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)積蓄的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)材料的許用應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓縮變形或拉伸變形。壓鑄模使用過(guò)程中，數(shù)萬(wàn)次的20～600℃熱循環(huán)必將產(chǎn)生熱疲勞，最終出現(xiàn)放射狀龜裂紋，導(dǎo)致模具早期失效。通過(guò)在模具使用過(guò)程中定期進(jìn)行回火和再氮化處理，可及時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力，減緩模具龜裂，延長(zhǎng)模具壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)壓鑄模具工作的特點(diǎn)及容易使模具產(chǎn)生損傷失效的原因，從模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則、材料選用、毛坯鍛造、熱處理前的準(zhǔn)備等多方面進(jìn)行分析探討，研究對(duì)于提高壓鑄模具壽命具有重要意義。

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