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,得到很廣的應(yīng)用。其中壓鑄鑄件特別大的市場是汽車工業(yè),隨著人類更加關(guān)注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù),汽車輕量化是實現(xiàn)高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保的途徑。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(30~150MPa)下將400~1,6000C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沖刷和腐蝕。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只靠模具材料的應(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)到對壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。
1、壓鑄模具失效形式:
壓鑄模工作時與高溫的液體金屬接觸,不單受熱時間長,而且受熱的溫度比鍛模還高,壓鑄有色金屬的溫度300~800℃,壓鑄黑色金屬的溫度達(dá)1000℃以上。還承受了很高的壓力30~150MPa,受到反復(fù)加熱和冷卻以及金屬液流動的高速沖刷而產(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,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。
1.1疲勞裂紋:
熱疲勞裂紋是壓鑄模常見的失效形式,占失效比例大。壓鑄過程中壓鑄模在300~8000C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、顯微組織均勻的高質(zhì)量的模具鋼有較高的熱疲勞抗力。
1.2整體脆性開裂:
整體脆性開裂是由于偶然的機械過載或熱過載而導(dǎo)致壓鑄模災(zāi)難性斷裂。材料斷裂時所達(dá)到的應(yīng)力值一般都遠(yuǎn)低于材料的理論強度,由于微裂紋的存在,受力后將引起應(yīng)力集中,使裂紋頂部的應(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應(yīng)的非常重要的力學(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。
1.3溶蝕或沖蝕
熔融的金屬液以高壓、高速進(jìn)入型腔。對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度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。
2、影響熱疲勞的因素
3.1模具溫度影響
壓鑄時速度很高,壓力很大,模具表面受到很強的沖擊負(fù)載,模具表面接觸高溫熔體,其溫度上限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度時在表面產(chǎn)生熱疲勞微裂紋,急劇擴散,向心部擴散形成龜裂。將引起鑄件拉傷及粘模,嚴(yán)重的造成模具早期開裂。
3.2材料基本特性:
壓鑄在急熱急冷的壓鑄環(huán)境下工作,對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3Cr2W8V和H13鋼(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
壓鑄模具鋼獲得很廣的應(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,等向性好的鋼。國外質(zhì)量好的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。
3、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_后續(xù)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。
4、壓鑄模表面強化處理
對
壓鑄模具進(jìn)行表面處理是延長模具壽命的有效、經(jīng)濟的方法。通過調(diào)整一般熱處理工藝改善鋼的強度和韌性。采用不同的表面強化處理工藝,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、優(yōu)化模具設(shè)計及壓鑄工藝
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0.12~0.2mm。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8~15萬模次,國產(chǎn)模具壽命一般在4—8萬件之間,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,從而采用延長壓鑄模使用壽命地特別好的措施,這將對降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟效益具有重要地現(xiàn)實意義。