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  • 提高压铸模具寿命的途径

  • 发布时间:2012/7/5 9:36:19 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:4686
  •       模具是一种重要的工艺装备,其使用性能的好坏,寿命的高低,直接影响一个企业产品的质量,更新换代的速度,技术经济效益和产品在市场上的竞争能力。因此,世界各国都在不断地研究着使模具达到强韧化的工艺和技术,缩短模具的制造周期,提高模具的加工质量,延长模具的使用寿命诸方向上去努力。

     根据有关资料,我国目前每年约消耗10万吨模具钢,其中属于合金钢的模具约6万吨,每年模具产值约20亿元,这是一个相当可观的数字。但是,我们的现状是,选材不当,工艺落后,使用不合理,管理水平低,远远不能适应当前生产发展形势的需要。近年来,随着压铸技术水平的提高,高效率,高性能压铸机的出现,己使压铸生产由单机自动化,转向于多道工序联动操作,组成平行作业流水生产线。在这种形势下,如果由于模具寿命配合不上,就不可能协调一致地组织好生产进程,难以发挥压铸机生产效率高的最大优势,达不到最高的经济效益,甚至带来巨大的损失。因此模具的寿命问题,已成为各种矛盾的焦点。为此,各国的压铸工作者,也包括各种工种的工程技术人员在内,不遗余力地通过各种渠道,为延长模具寿命,作出不懈的努力,也取得不少成果和经验,值得我们学习和借鉴。

    1模具使用寿命的基本概念

          模具由于受到了磨损,冲蚀、腐蚀及热疲劳等原因而导致变形、破裂、粘着、龟裂,在铸件上形成毛刺、飞边、脱皮、伤痕、划痕、粗糙以及尺寸偏差等现象后,不能再进行修复而在报废之前,所加工出来的零件数量,称为模具的使用寿命。对于模具本身来说,有其正常的寿命水准,如果一付模具,通过精心设计,注意维护保养,正常使用的条件下,达到了国内外相比的相对寿命指标以后,出现的破坏,则属于正常的寿命范畴。如果是早期失效,则说明了现有的材料和工艺的潜力未能得到充分地发挥,应该引起我们足够的重视,从多方面去查找原因,寻找对策。提高模具寿命是一项多因素复杂的综合性问题,随着科学技术的进步,人们对事物规律性认识的提高,其寿命指标还可向着更高的目标推进。

    2影响模具寿命的因素

          影响模具寿命的因素众多,既有外因也有内因,外因指的是模具工作时的外界环境,其中包括:工作条件,设备条件,使用过程中的维护、保养,被加工零件的材料,壁厚、尺寸,形状等等。内因所指的是:模具本身材质的冶金质量、机械加工工艺规范、热加工工艺制度,其中包括毛坯锻造及热处理以及模具结构的合理性、工艺设计方案的先进性以及配合精度的确切性等等。如果我们对以上所提到的各个方面都处理得当,模具的耐用性会得到确切的保障。

    提高模具寿命的基本途径

    3. 1首先要求冶金部门提供优质钢材

        
    模具毛坯在锻造时出现断裂或在淬火时出现工艺缺陷以及使用时降低其承载能力等,都与钢材的冶金质量发生密切的关系。冶金质量内容包括;材质的洁净度;有害元素、气体及非金属夹杂物含量,碳化物的分布均匀及颗粒匀细程度;断口有无孔洞、疏松及白点,成份上是否始终保持稳定一致,达到国家钢材的标准规范等等。当前电渣重熔冶炼方法,对材的冶金质量能起到明显的保证作用。

    3. 2采用先进的毛坯锻造工艺

          模具毛坯进行锻造有两种目的:首先是碳化物均匀分布,加热时阻碍奥氏体晶粒的长大,降低钢对过热的敏感性。由于均匀分布的碳化物硬度极高,显著地提高了钢的耐磨性和抗咬合能力,也增强了钢的塑性变形抗力。其次是形成合理的流线分布,使材料在力学性能上以及淬火变形的趋向方面,不会出现明显的差别。如在采用合理的兹造手段以后,能够达到上述予期的目的。

      当前的多向墩拔的锻造工艺是值得采用的。其主要的特点是在锻造时变形均匀,容易锻透,使碳化物细碎,全面改善了组织。所要注意的是,通常高合金模具钢的导热性较差,塑性低,变形抗力大,锻造温度范围狭窄。如在锻造时加热不足,锻件易碎断或产生内裂纹,冷却不当时,则在锻件中有网状碳化物或冷裂纹的危险。为此,在加热规范中,要求特别重视的是始锻温度及终锻温度。控制始锻温度,主要是为了取得最佳的塑性和获得最小的变形抗力。控制终锻温度的上限,是使晶粒不致长大或析出网状碳化物等缺陷;而控制了下限,是为了防止降低塑性,引起锻造裂纹或产生过大的内应力。对于3Cr2W8 V钢,在加热温度为1130~11600C时,始锻于1080~1120 0C,终锻于900-8500C,则较为理想。在冷却规范中,既要防止在ArArm以上,由于冷却速度慢而析出网状碳化物,又要防止冷却速度过快,由于内应力过大,而有形成冷裂纹的 危险。

       此外,对于3Cr2W8V含钨热模钢,为了使锻坯的组织均匀,降低硬度,便于切削加工,则要求退火。在退火工艺上,值得研究的是,如采用Aci以上的持续退火工艺是不足取的,这样有可能形“成稳定的WCWZC型的碳化物,降低了钢的淬硬性及淬透性。如采用高温退火的软化处理,不仅能得到细小的珠光体,而且带来了操作简便,周期缩短,不易氧化脱碳等优点。高温退火的软化工艺规范为。加热到Aci,850 0C),在750780 0C烧透,保温1012小时,保温终了后随炉温到600 0C后空冷。

      33把好模具材质的初步检验关

    从生产角度出发,为了方便、迅速,可采用磨火花鉴别法。当前,由于某些管理上的问题,有时会出现钢种的误用,这将为生产带来不可弥补的损失。因此,可进行磨火花作为初检的内容。3Cr2W8V钢的火花。较其他钢种有明显的差别。火束细而短,发出暗色光,无火花爆裂现象,流线呈暗红色,尾部有点状的狐尾花点。其次值得采取超声波探伤,检查出坯料中隐藏的缺陷。其目的一方面是为了防止在锻造过程中,因材质问题达不到锻件的要求而报废,另一方面由于未能查出隐患,在投入大量的加工人工及材料,化费了很长的周期以后,最终却功亏一笋。其他检验项目及依据如下:关于疏松可按YB9-68来评定,残留网状碳化物及共晶碳化物的不均匀度,可按GB1299-77来检验。钢材晶粒度的测定法,我国为YB27-64,也可参照美国ASTM112-74,

           日本JISG0551-77,苏联r OCT5639-650钢材脱碳层深度的测定,只有工503837-76及日本JISG0538-77标准。淬硬层深度的测定,有日本JISG0557-77标准,IS02939-73规定从表面测至HV550 (1 kgf负荷下测量)处,为渗碳有效硬化层深度,其计算公式为:式中:HG—技术条件规定的硬度亘1,直:—分别代表在距离d,d2处所测硬度的平均值模具表面不应有用肉眼能观察到的折叠及裂纹。在抛光过程中如出现局部麻面或类似砂眼等缺


    陷时,那极可能是氧化夹杂物的聚集所在。
     

    3. 4精心设计模具的结构
     

          模具设计的内容极为丰富,可以从铸件的结构工艺性分析着手。由于铸件结构设计上的不合理,导致模具中存在着细薄的截面,成为断裂的根源。斜度值的不合理,引起抽芯,开模或取件时的擦伤。型腔壁面交界处的倒角,稍有疏漏,造成应力集中裂纹。浇注系统的设计中,在流向、截面积、压射速度等控制不当,造成对型壁或型芯的冲蚀。金属液进入型腔后形成的涡流,由于涡心部分的流速为无穷大,对模面起到强烈的镂蚀作用,造成局部拉毛,模具的刚度不足,由于片面地强调节约钢材,导致早期变形或断裂的情况,时有发生。在各构件配合精度等级如选用不当,或者是由于有余隙的存在,引起导热率的下降,过早地产生热疲劳,或者是由于装配尺寸过紧,形成予应力,压铸过程中模具出现爆
    裂。在现代的模具结构中已考虑采用快速顶出机构,在这里,一方面固然是为了提高生产效率的需要。但是从另一个角度来看,也是为了减少铸件的留模时问,为卸除模具材料的热载荷而设计的。

     

    3. 5合金熔炼,保温过程中的有关控制
     

          模具型面在高速金属流的冲刷下,产生热冲蚀。凡是出现冲蚀的部位,都会使铸件的尺寸精度和表面光洁度有所下降,甚至于使该处与铸件咬合,影响顺利出模。为此,控制温度参数,其中包括合金温度的掌握以及控制模具始终处于热平衡状态,至关重要。此外合金中的气体问题,在压铸这样一个高速、高压充型特定的环境下,随着金属液流的喷溅而产生爆裂,出现了对模具的气蚀问题,在型面上留下麻点,在这方面应予以重视。为此对合金进行精炼除气,一方面乃是出于净化合金液的需要,而在避免产生气蚀作用,防止模面上形成麻点也是有益的。此外,合金中含铁量的控制,对于防止粘模至关重要。但根据Al-Fe相图可知,铝在600℃左右,容易溶入铁中形成固溶体,容易粘附于模面上,使铸件的表面质量下降。严重时,在模面形成脆性的铁铝化合物,成为裂纹源。在这个问题上,除了涂料能起到一部分作用外,合金中合适的含铁量的控制,值得注意。过高的含铁量可用铝来调整,与铝的比例可按10:2来处理,过低的含铁量,要采用增铁的措施来解决。

     

    3.6采用最佳模具热处理规范
     

          作为压铸模具的材料必须具有较高的热强性和回火稳定性,这样才有可能获得高的热疲劳抗力和耐磨性。作为铝合金压铸用的模具材料,当前比较适用的仍是属于国内最为普遍采用的钨系高热强模具钢3Cr2W8V钢。其锻造性能好,在机械加工性能及热处理工艺性能上也较佳。对于3Cr2W8V钢,由于热处理工艺不当,在寿命问题上常常会出现大起大落的现象。其中以淬火与回火的工艺,尤其要求严格掌握,直接影响到模具热疲劳抗力,热强性和回火抗力。

     

          目前大部分工厂对压铸模所取的淬火温度为1050-1100 ℃,进一步提高淬火温度的呼声很高,但是也其有利弊。众所周知,随着淬火温度的提高,其有利方面如下:

          1)更多的碳化物溶入奥氏体,将使淬火后的马氏体具有较高的回火稳定性,热强度,耐磨性和耐疲劳性能也均相应地提高;
     

          2)一定程度上减少碳化物带状偏析,减轻了剩余碳化物对基体的切割作用。也改善了材料性能上的方向性,并使剩余碳化物变得更少、小、匀和圆态,提高强韧性。


          3)使板条马氏体数量增加,提高强韧性,降低裂纹的扩展速度。


          但是有其不利的一面:

          1)晶粒粗化,使模具韧性下降。如奥氏体化温度为10500C时,晶粒度等级9^-10级,奥氏体化温度为11500C时,晶粒度等级为2飞级。

          2)模具更易变形。

          3)模具表面更易氧化脱碳。


          权衡利弊,个人认为,对压铸模来说,其主要失效形式是热疲劳和热冲蚀,因此高温强度,硬度和回火抗力比韧性更为重要,提高淬火温度将可进一步发挥3Cr2W8V钢作为压铸模材料的潜力,至于模具的变形和氧化脱碳,可通过相应的措施予以解决。例如在淬火加热时采用两次予热,其中第二次予热温度取850^-870℃,略低于最后淬火温度,其目的是减少模具到温的时间差,缩短高温保温时间,以减轻由于高温加热而带来的弊端;又如采用二次分级淬火或等温淬火,则可减少变形:其他如加强盐浴脱氧或在有保护性气氛的箱式炉中加热,可避免氧化脱碳等。

          由于3Cr2W8V钢的成分在允许范围内有波动,理论上应有其最佳淬火温度。当采用较高淬火温度时,其最好的含碳量在规定含量的下限;而其含钨量在规定含量的上限,这样可使淬火后仍能获得较细的晶粒。回火温度的选择:通常认为回火到硬度HRC47-48有最好的抗热疲劳性,但该回火温度必须高于模具使用温度30^-500C,否则在使用过程中会再次出现回火现象。


          淬火温度愈高,回火温度也应相应地提高,才能发挥提高淬火温度的效果。如淬火温度为1050~10750C时,回火温度为560-6000C;淬火温度为1100、1150℃时,回火温度应取600~6500C。回火次数对于铝合金模具为两次到三次,对于铜合金模具则为三次,以消除残留奥氏体,避免在使用过程中由于残留奥氏体转变为马氏体而引起内应力,严重地影响模具的寿命。


    3.7模具高能量密度表面强化处理
     

          高能量密度表面强化是材料表面施加极高的能量,使之发生物理化学变化,以达到强化的目的。其主要特点是:工序简单,过程迅速,零件变形小,生产效率高。其中以采用电火花表面强化工艺乃是一项减少表面冲蚀,防止金属与模面咬合,提高使用寿命的有效途径之一。其原理系利用脉冲电路的充分放电原理,将硬质合金制成的电极(Y68),接通电源的正极,金属工件接通电源的负极,二者在空气中作周期性地接触,引起气隙放电,形成火花与高温。在高温作用下,碳化钨从电极上升华释放,在工件的表面产生并完成一系列包括:重熔,沉识,扩散、化合及淬硬的过程,使被涂复的工件表面形成一层成分均匀,结构致密,高硬度的碳化钨沉积层.其表面硬度达到HV1100-1400。强化层与基体结合牢固,耐冲击,不剥落。强化处理时,工件处予冷·态,放电点极小,时间短,无退火及变形。经强化后的模具,无论在耐热性,耐蚀性,红硬性及耐磨1生方面,都有很好的成效。


          国外出现的一种氧氮表面扩散法即模具在真空下,在5400C温度下加热4小时,并通入氨气,接着添加丙烷及二氧化碳,直到形成0.03毫米深度的氧化铁,氮化铁及碳化铁为止,经600℃温度处理后,其表面硬度达到HV750。在氮化处理方面,以气体软氮化为最好,经处理后的模具有较高的表面硬度,耐磨性及冲击韧性。其化合层致密,为单相£相,提高了模具抗擦伤,抗咬合,抗粘模和耐腐蚀能力。此外气体软氮化的生产周期短,易返修、设备简单、操作方便。对于3Cr2W8V钢铝压铸模具的表面强化较为适宜,其最佳工琶如下:50%甲醇写50%氨,在5800C加热渗氮,保温4.5小时软氮化后油冷。
     
    3. 8采用良好的操作规范

           操作规范中首要的问题是生产前模具的予热。模具中应力的大小与模具的温度梯度成正比,因此适当地提高予热温度是能够理解的。但是过高的予热温度使型腔的表面接触温度也高,有损材料的屈服强度,对模具的抗热疲劳性能是不利的。此外模具在服役过程中,始终保持处于热平衡状态,己成为提高模具寿命,增加生产效率和保证铸件的致密性方面的重要手段:对于冷却水道的布置以及热油加热、冷却控制设备的应用,首先以测出模具温度场的分布作为依据。采用热电模似法测出等温线的分布规律仍有其实用价值,它是在热电物理现象彼此相似的理论基础上而被采用的。在稳定的条件下,也就是说,在温度场中的温度与电场中的电位不随时间变化的条件下,固体的导热现象与直流电路中导体的导电现象,都可以用同一个拉普拉斯微分方程式描述。根据相似理论,如果两种不同的物理现象,都可以用一个微分方程式描述,并且实现边界条件,几何条件与物理量相似,如电场中的电压、电阻,电流与温度场中的温差、热阻、热流彼此相似,那么就可以在电模型上模拟热原件上的传热现象出来,对生产起到指导性作用。操作过程中的节奏性和连续性,再加上模具温控装置的配合使用,都可为保持模具最佳的热平衡状态创造条件。

           压铸模在服役期间进行去应力回火处理,使热疲劳裂纹在尚未出现的孕育期内产生应力松弛,成为提高寿命的一项有效的措施。去应力的回火温度取原来的回火温度低3050℃,回火间隔与铸件材料,模具材料及铸件的重量有关,一般应选择在没有出现裂纹之前进行。对于重量为100克的铝合金压铸件,模具在使用25000次以后,就应进行去应力回火;重量为100--500克,为10000次;大于500克为5000次。对于同样重量的铜合金铸件,其间隔分别为3000次,2000次和1000次。

           涂料的复膜性对保护模具材料起到重要的作用。凡是涂料未能匀复之处,皆有受到侵蚀的危险。美国对于模具表面喷涂时液滴的形式与散布面积的大小作了机理上的探讨,西德也有类似研究工作的报导。他们认为:喷涂到高温度模具上涂料的液滴,会产生高的蒸汽压力,而不易吸附于型面上,引起脱离和溅落,未能充分润湿型面使模具寿命受到影响。根据机理分析,涂料液滴应先成球状与型面接触,然后摊平成椭圆形而增加了接触面积,再进一步铺开成膜,达到均匀复盖的目的。为此要求模具温度不宜超过所谓“润湿温度”范围。其最佳方案是提高喷涂压力,使液滴得到较高的动能,压制了液滴的凝聚现象,达到不致快速汽化的目的。

           模具在服役过程中定期进行观察与检修,至关重要。在生产中由于支承板及套板的变形,紧固螺栓的松动而导致模具早期破坏的例子也常有所闻。

    3.9保证模具的加工质量

           模具在磨削加工过程中由于砂轮的不够锋利,引起摩擦热,会引起表面出现磨削裂纹。此外由于磨削应力的存在,也会降低模具的热疲劳能力。

           型腔表面,特别是浇道表面光洁度不高或者型面有少量擦伤及划线痕迹处,都是裂纹源。模具镶块与套板之间的配合精度选用不当,或者由于过松影响热传导效率或者由于过紧,产生予应力而使套板碎裂。模具与机器之间安装精度,包括平行度与垂直度,皆可能影响导向件的过早磨损。对于用电火花加工的模具应用日广的今天,在加工过程中,由于局部高温形成表层下的回火区。该区在组织上及化学成分与基体不同,硬度高,再加上表面存在着残余应力,加工后型面易形成细微裂纹,有必要进行抛光处理。目前超声波抛光应用日广,比人工抛光效率可提高1-2倍。

    3.10 模具磨损后后道工序的处理
     

           采用电火花碳化钨表面强化工艺,乃是一项减少表面冲蚀,防止金属与模面咬合,提高使用寿命的有效途径之一。此法既可作为修复模具的手段,也可在新模具正式投入使用前,对型腔,型芯,浇注系统部分工况条件特别差的部位,进行有选择性的表面强化处理。国内已设计并研制成功低压等离子喷涂机组,可将工件置于低压真空条件下进行等离子喷涂,使工件获得高强度,耐高温,耐腐蚀等特殊涂层。如采用堆焊技术用于修复己破坏的模具,采用(D2. 5~3毫米堆337焊条是成功的。氧乙炔焰合金粉末(Ni45)喷焊型腔及修补冲头也是可行的。
     

    3. 11关于改变钢种问题

           目前有一种倾向,就是认为3Cr2 W8V钢是一种老钢种,寿命低,应该采用新钢种来取代。对于这个问题,个人的看法如下:3Cr2W8V钢是在本世纪20年代开始使用的一种钨系高热强性热模钢,在苏联称为3 X 2 B8V,在西德为:X 30WCrV93,在日本为:SKD5,在美国为:H21这种钢种在回火抗力、热硬性、热强性、热疲劳性能等高温性能方面都是上乘的,再加上有良好的锻造性能,机械加工性能及热处理工艺性能,因此到现在仍能久用不衰,并有扩大应用到其他行业的趋向。但是当前有些工厂采用此钢种制造出来的压铸模具寿命极低的原因又何在呢?这里要作综合分析,可从本文前述的各种途径中去查找,而热处理工艺不当,又是许多原因中的要害,许多事例都证明了这一点。目前可以采用两条腿走路的办法:其一是充分挖掘3Cr2W8V钢种的潜力,把这种价格便宜,供应充沛,对使用该钢种己积累有丰富经验的常用钢料充分加以利用;其次也不排除把以铬系高热强热模钢用于压铸模,从中取得经验,并投入实际考验。其中有代表性的钢种为4Cr5MoSiV1,在美国为H13,在日本为:SKD61o此钢种的特点是含铬量高,具有较好的淬透性、淬硬性和热疲劳性能。韧性高,但回火稳定性不如3Cr2W8V钢。致于选用其他钢种问题,主要根据国家的资源以及及时供应大生产的需要的可能性来考虑如:马氏体时效钢,TZM等。

    3.12采用相应的辅助性措施加速摸具生产
     

           推广应用模具加工新技术,以缩短生产周期,乃是当务之急。其中首推电火花加工,其优点是:1)不论何种材料,只要是导电体,也不论硬度有多高,均能加工。2)加工也可在热处理后进行,基本上解决了变形问题。3)有精度较高的表面,减少钳加工工作量。4)模具形状愈复杂,愈能体现出其优越性。5)复杂凹模不必采用镶拼结构,而采用了整体,节约了设计,制造,装配工作量,对于铸件的外观质量也有保证。问题是镂蚀的速度较慢,可采用先机械粗加工后进行。

           型腔冷挤或温挤成型,能达到较高的表而光洁度,流线沿轮廓分布,不遭切割,型腔表面加工硬化,提高了耐磨性。凸模采用Cr12NbV钢,凹模材料有10、20、25、T8A、Cr12 MoV及3Cr2W8V钢。
     

           翻模法在以铜合金材料制成的镶块模具中仍不失为以数量顶住不断损耗的方法。
     

           陶瓷型精密铸造法,由于模具型腔表面的迅速冷却,晶粒及细小碳化物的均匀分布,与锻钢相比,在抗弯强度、耐磨性、热稳定性、耐热疲劳及裂纹扩展性能以及压缩条件下的弹性极限都好,就是塑性及韧性较差,用于压铸模生产,如在控制尺寸精度方面有所突破,有其发展前景。

    3 .13建立全面质量管理制度

           模具在生产及使用过程中贯彻执行全面质量管理获得模具质量信息的重要手段,其中以PDCA四阶段制卓著成效。四阶段制的具体内容:1)计划(Plan)—充分调查模具工作条件进

    行设计,选材和制订工艺;2)实施(Do)—根据设计,通过冷热加工工序,制成模具;

           3)检(Check)通过模具成品检验和使用中的考验,检查与分析模具是否符合使用要求;4)处理(Action)—根据检查分析结果和使用者的意见,采取相应措施,同时把有关信息反馈到模具设计和加工部门,保证下一次设计制造中得到充分反映。

           全面质量管理中另一个重要环节是建立模具技术卡片制,日常记录模具的生产对象、工作条件,修复次数、破坏形式及使用寿命,摸索出失效的规律性。
     

           保证生产的均衡性,是从管理角度来说的一个重要方面,均衡生产,能使每付模具的负荷保持均匀,避免前松后紧或前紧后松现象,这样对于防止积压和浪费、缩短生产周期,降低铸件成本,建立正常的生产秩序和保证安全生产各方面都是有利的。

    3.14实现模具零部件的标准化

           标准化中包括通用模架,通用模座以及组合模具在内,这样为实现先进的快换摸具装置创造条件。模具零部件实现标准化后,对减少设计工作量,缩短生产周期,加速模具周转、模具互换利用,节约钢材等方面都体现出独特的优点。







     

           
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