近年来,压铸生产的迅速发展,为汽车、摩托车的大量零、部件提供了一种经济、高效的生产方式。压铸生产是集压铸模的设计、施工、使用、维护于一体的复杂系统工程,具有成本高、难度大、周期长、涉及面广、技术含量高等特点,因此,对如何提高压铸模使用寿命,进行了旷日持久的研讨。尤其是热处理作为金属材料生死命运的主宰,工装生产的生命,曾一度成为压铸模使用寿命的聚焦点。
多年来的研究指出:压铸模的使用寿命与压铸件自身结构、形状、模具结构设计方案、加工工艺、正确的使用、维护、保养均有一定关系,压铸模的使用寿命主要取决于模具的材质、锻造方法以及热处理方法。
如果以Y来表示压铸模使用寿命,分别以X、z、ζ…表示影响其寿命的若干因素则有:
Y= f(X,z,ζ,…)+ f(X)+ f(z)+ f(ζ)+ …
这个函数式表示:压铸模的寿命不仅取决于各个影响因素,还可能取决于各影响因素间的相互制约作用
很显然,这是一个复杂的多元函数,若要直接找出能够反映其变化规律的解析式是不可能的,但若采用分项解析的办法来研究其制约关系,则问题可大大简化,最后再利用优化组合法,进行具有实际指导意义的讨论
压铸件结构及模具设计对寿命的影响
显而易见,压铸件自身的结构在一定程度上对模具设计方案产生制约作用,进而影响到模具的使用寿命。
一般来说,比较大而复杂的压铸件决定了压铸模庞大的体积和复杂的型腔,这种模具寿命往往低于小而简单的模具寿命。但若注重设计方案的合理性和模具结构的适当性,则依然对提高压铸模寿命产生积极的影响。
若从模具设计角度考虑压铸模寿命,则应考虑以下几点:
(1)高强度模具钢对死角有较强的敏感性,应使模腔壁厚及加强筋变化均匀平滑,缓和过渡,并尽可能采用较大的内圆角(R> 1);
(2)水冷孔应布置在使整个模腔工作面相对匀称冷却的位置,但应远离流道底部;
(3)流道的设计应考虑能使流态金属平缓流畅地注入型腔空间,禁止喷射状注入,以免引发热冲击侵蚀。
(4)浇口与型腔壁距离应大于50mm
2 加工工艺的影响
我厂的压铸模生产十余年来,经不断修正、完善,实现了由方案Ⅰ到方案Ⅱ的过渡。Ⅰ原材料锻造—粗加工(刨或车)—调质—精加工—(车、刨)—平磨—铣(镗)—电脉冲—钳(精修)—试模—氧氮化。Ⅱ原材料锻造—球化退火—刨(或车)—平磨—铣(镗)—稳定化—电脉冲—稳定化—钳(修)—试模—成品淬火—钳(精修)。
比较上述两个方案:
(1)“Ⅱ”以球化退火代替“Ⅰ”的调质,具有如下优越性:a球化退火改善碳化物分布形态,使组织均匀,使切削加工性更好;b调质于粗加工之后进行,若调质余量不足,将使模面于精加工后残留一定层深的脱碳层,使模具在最终热处理时,如氮化、淬火均产生不良影响,从而导致模具早期失效;c球化退火使钢中的碳化物呈球状颗粒均匀分布,对防止淬火变形和开裂产生积极的作用,因为最剧烈的畸变总是发生在碳化物分布有变化的情况。
(2)“Ⅱ”的淬火代替“Ⅰ”的氧氮化处理,赋于模具更强大的生命力,避免了氮化模具由于基体硬度不适宜引起的蹋角、蹋方以及剥落和龟裂,使压铸成本成倍下降,为生产经营者起到事半功倍的作用。
(3)近年来,放电加工广泛应用于复杂模具(特别是压铸模)的生产上,由于放电加工显著提高了操作技术、生产力和加工精度,同时可对预硬材料进行加工,对非常复杂的模具型腔(如窄深沟槽、死角等)显示了特别的优越性,因而倍受人们欢迎,但是这种方法模具表面遗留了一层硬而脆(约几十微米)的放电白层(依次为组织粗大的再凝固层,布满高密度微裂纹的再淬硬层和回火层),白亮层若不彻底清除,将使微裂纹遗留于模面上成为缺陷源,给模具的使用造成隐患,使压铸模在使用过程中由于受腐蚀环境影响和复杂交变应力的作用产生应力集中而失效报废。“Ⅱ”的电加工与“Ⅰ”的电加工不同之处在于“Ⅱ”的材料为软态,再淬硬层的微裂纹且加工后的放电白层容易清除彻底。
(4)“Ⅱ”与“Ⅰ”相比较,还多了两道稳定化处理在铣镗之后进行稳定化处理可以消除大切削量引起的机加工应力,降低淬火变形量;(b)在电加工后进行稳定化处理,不仅可消除电脉冲引起的热应力,组织转变应力等,还可以降低放电白层的硬度,为钳修彻底清除创造有利条件。
3 压铸模的材料选择
压铸模是使液态金属成型的模具,常工作在700℃左右,与炽热的流态金属相接触,承受高而复杂的交变应力作用,工作于恶劣的腐蚀环境,受急冷急热作用强烈,极易产生熔蚀及热疲劳,因此,常对压铸模材料提出以下要求材质纯洁而均匀;(2)优良的切削加工性;(3)良好的高温机械性能;(4)高的淬透性;(5)高的耐蚀性;(6)优良的抗疲劳性能;(7)较好的可焊补性;(8)高的抗氧化性;(9)优良的热传导性;(10)低的热膨胀率和热处理变形率。
表1 4Cr5MoVSi与3Cr2W8V的性能比较
我厂的压铸模材料由开发初期沿用的3Cr2W8V,经ZGM13、35Cr3Mo3W2V,最后过渡到4Cr5MoVSi(相当于SKD61、H13及ASSAB8407),使4Cr5MoVSi取得了较高的开发应用价值。
4 锻造方法的影响
在模具制造中,锻造不仅是模具材料成型的一种手段,重要的是通过锻造可使钢中的粗大组织得到改善,可以焊合某些内部缺陷,可以打碎第二相粒子,改善晶界及其它缺陷的分布状态,使组织趋于均匀而致密,提高材料自身潜力,正确的锻造,还可降低热处理淬火变形率。图1反映了模具材料采用了不同锻造方法所引起的热处理变形率。因此,对压铸模材料图1 DKA(相当于4Cr5MoVSi)1050℃空淬550℃回火的变形率建议采用如揉面饼那样的办法,从六个方向进行锻造,这样锻成的模块几乎消除了轧材和轴向延伸造成的各向异性,使三轴方向的性能趋于一致,使热外理淬火变形率降为最低。
5 热处理淬火对铝合金压铸模寿命的重大贡献
总结调研表明:压铸模的寿命与硬度的关系见图2所示:未经淬火的模具(HB200),其寿命最高不超过1.5万模次,模具经调质、氮化处理、心部硬度为HB270～ 300、模面硬度达HB50,750～ 1600小时寿命约为2～ 4万模次,模具若经成功的淬火(变形量控制在要求之内)硬度为HB400～ 500(相当于HRC40～ 50)寿命可达5～ 15万次甚至高达20万次,当硬度大于HB500(HRC51)时。则模具易产生裂纹,使寿命呈下降趋势。由此可见,使用未经淬火的模具是不合理,不经济的,成功的淬火将赋予压铸模强大的生命力,从而大大降低压铸生产成本。我厂的压铸模攻关小组曾于九四年五月相继对DW8× 21/ZM1及DW8× 21/ZM2实施了成品淬火,曾创造了模具首次上机开合四万模次无故障的历史记录,其中ZM1经精心养护,已逾十八万模次,且仍在现役中,ZM2也已过十二万模次。之后我们相继对其它品种的铝合金压铸模(如DW7,SW2,DWB15- 1,DH96- 7,3543N,JSN2等)实施淬火,均收到良好效果。压铸模的淬火是高技术、高难度、高水平的热处理,其关键是严格控制变形量,并寻找使模具寿命最高的最佳硬度值。
6 关于压铸模的成品淬火
6.1 淬火加热设备
(1)盐浴炉:由于盐浴炉能有效防止模具氧化、脱碳,且对中小模块能保证快速均匀升温,因此,广泛为人们所采用,但盐浴炉升温速度快,上、下温差大,还会使模具钢产生晶间腐蚀,因而大型模具的淬火受到限制。
(2)真空炉:真空炉能有效防止氧化一脱碳,且对大小模块均无限制,但升温速度快,很多因素非人力所能把握,对控制变形量并无优势可言。
(3)箱式电炉:历来认为工具钢的升温加热应十分缓慢的进行,有避免热冲击引起的扭曲和开裂的作用,装箱保护法对于大中型模体的淬火,是一种经济实用,行之有效之法。并禁止将冷料直接装入已达淬火温度的炉内。
图3 装箱保护示意图
1—箱盖 2—耐火土(粉尘状)3—内罩 4—保护膜(三层包装纸)5—活性炭(粒状) 6—箱体 7—模块
6.2 装箱保护法:常用的装箱法见图3
(1)箱内填充保护剂可采用木炭、氧化铝等,铸铁屑导热性差,加长了升温时间,不建议使用;
(2)填充剂的装入量应依据填充剂类型,装炉量和箱体容积空间而定;
(3)箱体与箱盖间不得用粘土密封
6.3 工艺方法控制
压铸模的成品淬火最重要的是解决变形量问题。为此,除了在工艺方法上采取一些必要可行的措施(如随炉缓慢升温,多段预热,等温淬火,分级淬火等)外,在实际操作中还应注意以下几点 1)注意工件摆放平衡,注意工件捆扎和吊装部位(以防加热软化后,自重引起扭曲、弯曲);(2)对已成型的模腔,应对孔、槽进行有效的填塞,对截面发生突变的坎棱部位进行补衬缠裹,以缩小各部位温差,力争使加热和冷却趋于均匀;(3)加工合理的工艺孔、槽,改善工件自身的不均匀,不对称性;(4)预热回火,且回火过程重新考虑上述因素
推荐三种压铸模淬火工艺,见图4、图5、图6所示
图4 4Cr4MoVSi型芯、镶块的淬火回火工艺曲线
图5 4Cr5MoVSi中小模体(动、定模淬火回火工艺曲线)
图6 4Cr5MoVSi大型模体装箱保护淬火回火工艺曲线
所示曲线的缺点是周期太长,受设备故障及供电等偶然因素的影响不容忽视,整个作业过程一定要运筹周密。
＊(1)(3)(5)(7)均按1h/25mm计;
＊ ＊当加热到500℃左右时热应力特别敏感,要主意缓慢加热;
＊ ＊ ＊ (4)体积剧烈变化的相变区,要极为缓慢加热(可采用阶梯升温法、控制加热速度)
＊ ＊ ＊ ＊计算加热时间应考虑箱体厚度。
6.4 铝合金压铸模最适宜的使用硬度
由图1中的y= f(HB)曲线可知:压铸模在HRC45～ 50范围使用时,寿命将达到极限。铝合金压铸模的极限寿命实践证明:压铸模在设计、加工方案(合理)正确使用,选材得当,锻造方法适宜,淬火变形量得到有效控制,硬度优选在HRC45～ 50时,使用寿命将达极限。中小型模具可达10～ 20万次;JSN2锁体可达20万次,大型模具(如左右箱体,干燥器等)则有望达到6～ 10万模次。
7 压铸模的正确使用、维护和保养
一副大型压铸模的价值可由十多万元到几十万元,不亚于一台精密设备,正确的使用并辅之以精心的养护将无庸置疑的对其起到延年益寿作用。
(1)正确的预热:对任何物件,在表面受到急冷急热作用时,都会产生不良影响,铝合金压铸模在使用前常预热至250～ 300℃方可使用,且应注意缓慢加热预热。那种用熔隔金属浇泼模具的预热方法应予禁止,因为冷态模具直接与灼热的流态金属相接触,势必受到热冲击作用,而产生热浸蚀,加速疲劳引起的龟裂和剥落。
(2)适宜的冷却:压铸模一般设计有循环冷却装置,有资料指出:冷却水应采用50℃左右的恒温供水系统(就象精密设备需配置中央空调予以恒温一样必要),停机数分钟后,应调节冷水流量,以降低模具冷却速度,禁止用冷水激冷模具。
(3)稳定化处理:压铸模使用一段时间后(一般建议为5000～ 10000模次)进行消应力的稳定化处理,以防止模具长期受复杂应力相互作用而产生迭加,使模具扭曲变形,甚至开裂。
(4)一个合格的压铸工,要善于辨别细微之处,观其形而听其声,若有异常,立即停机,以免使模具和机器受到致命伤害。 |
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