如何提高黑色金属压铸模寿命
2002-12-02 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
【摘要】详细分析了影响黑色金属压铸模寿命的因素，提出了如何提高压铸模寿命的相应措施，指出了发展黑色金属压铸的新工艺。
关键词 黑色金属 压铸模 寿命 措施
1 前言
压铸技术以其压铸精度高、压铸范围广、生产效率高而被广泛应于汽车、拖拉机制造业及仪器仪表，航海、航空、国防及计算机等各个领域，是一种先进的少无切削加工方法。然而黑色金属溶点高、冷却速度快、凝固温度范围窄、流动性差，使得压室、压铸型工作条件十分恶劣，严重影响压铸模寿命，限制了黑色金属压铸工艺进一步发展。为此，研究黑色金属压铸工艺，提高压铸模寿命是发展压铸工艺的关键。
2 黑色金属压铸型的工作状况
（1）压铸的两大特点即高速高压，最高压力可达5000个大气压，填充速度高达120m/s，黑色金属液在这样的高压高速条件下充填型腔，会对模具成型零件的表面产生激烈的冲刷和冲击，使模具表面产生侵蚀和磨损。
（2）黑色金属熔点高，如钢的熔点为1450-1540℃。金属涂在浇注过程中难免带入熔渣，熔渣对成型零件的表面产生复杂的化学作用，形成一些较脆的化合物，这是产生应力集中，萌生裂纹的核心。高温金属在高温发生氧化，产生粘模现象，使模具成型部分产生化学腐蚀，影响使用寿命。
（3）热疲劳是模具成型零件表面产生裂纹的主要原因。型腔表面除了受到金属涂的高速高压冲刷外，还要吸收金属在凝固过程中放出的热量，产生热交换。金属液填充时，型腔表面层首先达到高温膨胀，内层模温较低，相对膨胀量较小，使表层产生压应力。开模后，型腔表面与空气接触受到压缩空气及涂料的激冷而产生拉应力。金属模长期经受热应力（拉应力和压应力）的交替作用，引起型壁的热疲劳而遭到破坏。同时，金属凝固生长在型壁处产生应力，同空气氧化气氛的腐蚀作用，助长了疲劳裂纹的发展。
3 影响黑色金属压铸模使用寿命的因素
影响黑色金属压铸模使用寿命的因素很多。铸件结构设计不合理，如壁厚不均匀，造成部热量集中，加速模具材料热疲劳。铸件上的窄而深的凹穴，使模具相应部位出现尖劈，散热条件恶化，出现裂纹。加工时，模具表而后 加工痕迹或划线痕迹，使得模具承载能力降低。模具材质差，热片理工艺参数选择不当，引起模具产生内应力，而导致开裂。
4 提高黑色金属压铸模使用寿命的途径
4.1 合理的铸件结构设计
合理的结构设计可何证金属注射畅通，充型能力好，铸件表面光洁。苦壁厚过厚，会增加模具热载荷；若壁厚过薄，则模具型腔过窄，易发生塑性变形，不仅使铸件失去原有的形状和尺寸精度，而且引起模具应力集中，导致开裂。一般要求铸件壁厚均匀，尽量避免尖角、狭窄的凹坑等结构，从面避免模具裂纹的产生。
4.2 合理的模具加工工艺
模具制造过程中的每一个工序，都会影响模具的使用寿命。
电火花加工在模具型腔中的应用已相当普遍，但加工后的型腔表面贸有淬硬层，使模具表面产生极大的应力，从而导致模具龟裂、点蚀和开裂；磨削加工时砂轮不锋利或冷却不当，会使模具表面产生磨削裂纹和表面氧化，降低模具表面的耐磨性和耐蚀性，降低模具的冷热疲劳强度和机械疲劳抗力。故在电火花加工时应选择合适的加工涂，加工后应进行增加适当的抛光工序；磨削时，选择合理的砂轮粒度、磨削液，防止磨削热使模具表面产生磨削裂纹烧伤，提高模具的使用寿命。
模具装配质量要高，装配时镶块与模体庆能紧密接触，苦接触不均（点接触或线接触），则会使镶块受力不均匀，导致镶块过早开裂，或液体被挤入过大间隙，影响模具正常工作。
4.3 正确选材
引起黑色金属压铸模失效的主要原因就是热疲劳。要提高压铸模使用寿命，首先要选择热疲劳性能好的材料。导热系数大、热膨胀系数小，弹性模量低，比热和熔点高、密度大、屈服极限高，这样的材料产生交变热应力小，不易产生疲劳裂纹。我国最常用的热作模具材料为3Cr2W8V钢，该钢热疲劳抗力差，使用寿命不高。目前国内外趋向使用高熔点钼基合金及钨基合金制造黑色金属压铸模。彩用导热性市制铜合金制造黑色金属压铸模，效果较好。表1为钼合金及铜合金压铸模寿命。
表1为钼合金及铜合金压铸模寿命
| 模具材料 | 压铸件及材料 | 寿命/件 |
| 钼锆钛合金TZM | 不锈钢 | 15000 |
| 3W23Cr4MoV钢齿圈母模（2200kg） | 1500 | |
| 45钢铰链座 | 1252 | |
| 铬锆钒铜 | 20钢小星形轮 | 600 |
| 铬锆镁铜 | 刺刀座（200g） | 700 |
| 钻铍钢 | 20钢铸件（100g） | 1000 |
| 20钢铸件（500g） | 200 |
（2）铬锆钒铜合金的导热性好，表面接角温度可由3Cr2W8V钢的950～1000℃降低到600℃，模具工况得到改善。
4.4 正确热处理工艺
热处理工艺不当，使模具表面发生脱碳，降低模具表面硬度，出现残余拉应力，从而降低模具的机械疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性。合理的热处理工艺可提高黑色金属压铸模寿命，一般采用渗氮、渗硼、渗金属、磷化、镀铬等方法，黑色金属压铸模采用渗金属及三元共渗工艺，可显著提高型腔表面抗腐蚀、抗热疲劳性能，提高模具使用寿命。如：用3Cr1W8V钢制造的压铸模，压铸T8钢小型铸件，常规热处理后，模具寿命仅百余件，而经表面渗铝后，可压铸千余件，提高寿命近10倍。
4.5 适当预热，及时回火
黑色金属熔点高（1450-1540℃），模具工作温度高达1000℃，若采用冷模生产，受到剧裂的热冲击，型腔内外层的温度梯度急增，造成表面裂纹。预热可以提高模具的韧性，降低模具型腔表面层的温度梯度和热应力，防止早期开裂失效。但过高的预热温度会降低模具屈服点和疲劳强度，因此预热温度要适当。如压铸T8钢肋骨的3Cr2W8V钢压铸模，使用前不预热，只压铸509次即因裂纹而失效，将模具预热到300℃，并在模具型腔上喷涂加热的石墨水剂，使模具保温在260-300℃，模具寿命提高到1190次而未出现大的裂纹。
模具服役一段时间后进行去应力回火可延长模具使用寿命。压铸模在服役期间既受机械力又受温度的作用，在模具内发生了不均匀的塑性变形及组织变化，产生了内应力，当内应力积累到相当大的数值，导致模具开裂。故模具服役一定时间后，中间应适当进行低温回火，以消除模具中的内应力。如果预计一套模具的寿命为100%，可在预计模具寿命的30%时进行第一次消除内应力回火，第二次在预计寿命的60%时进行，可使模具寿命延长50%左右。
4.6 使用合适的涂料
涂料一方面起冷却作用，另一方面起润滑作用，防止粘模及便于压铸件的推出。对3Cr2W8V钢制压铸模压铸20钢，不用涂料使用寿命为150次，若每压铸3次刷一次涂料时，便用寿命可达700次。
常用的涂料有油性石墨，水剂石墨及油料等，黑色金属压铸模涂料种类及其成分为（涂料的灰分应在2%以下）：
（1）15%石英粉+5%石墨粉+5%水玻璃+0.1%高锰酸钾，余量为水。适合于浇注温度低于1500℃的合金。
（2）15%氧化锆+5%石墨粉+5%水玻璃+0.1%高猛酸钾，余量为水。适合于浇注温度高于1500℃的合金。
（3）石墨粉21%，其余为水。
5 黑色金属压铸模的发展
半固态压铸的出现，为提高黑色金属压铸模寿命提供了一个办法。半固态压铸的实质是：液体金属在凝固时通过强烈搅拌，在一定的冷却速率下获得50%左右甚至更高的固体组份的浆料，使其不形成交错的树枝状晶粒，而是形成彼此隔离的球状固体质点悬浮在金属母液中，这种半固态金属在搅拌时，已有50%的溶化潜热散失掉，减少了对压铸型腔的热冲击，使压铸型腔表面的温度降低，从而可以提高压铸模寿命。
半固态压铸不但能够提高黑色金属压铸寿命，而且对提高压铸件质量，改善压铸机压射系统的工作条件都有一定的作用，是一种很有前途的压铸新工艺。
参考文献
1 宫克强.特种铸造.机械工业出版社，1982.
2 模具材料与使用寿命.模具实用技术丛书编委会编.机械工业出版社，2000.
作者：湖南大学学衡阳分校（湖南衡阳 421101）刘先兰
