探讨提高压铸模具寿命的具体措施(之二)
苏州优尼昂金属精密制造有限公司 刘遵建
压铸专业高级工程师
本文曾发表在《特种铸造及有色合金》杂志的2011年第4期
3. 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[1]。为提高热冲击韧度,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[2]。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8407、德国2344、美国H13(4Gr5MoV1Si)、日本SKD61材料。日本日立的DAC55、ZHD435在高硬度时有很好的韧性及抗高温强度,模具寿命也很好。
4. 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质量纠纷。
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[2、3]。把淬火温度升高到1020℃~1050℃,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[4、5]。淬火后用不同温度分3次回火,按2~3小时/次保温,特别注意回火的效果,如果还要进行氮化处理,可以减少一次回火处理。
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钢退火消除应力的温度比淬火时最后一次回火的温度低20℃~40℃,保温时间为1~1.5小时。
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,应用时硬度可以比H13提高2~4HRC。
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、低温等离子渗硼、蒸镀(PVD物理蒸镀、CVD化学蒸镀)、氮化加蒸镀、激光[6]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。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。