提高压铸模使用寿命的途径

提高压铸模使用寿命的途径 张洪峰1 　张继涛2 (1 . 南阳理工学院机电工程系 ;2 . 河南工业职业技术学院) 摘 　要 　从压铸件的结构设计、压铸模具设计、成形零件材料的选用、模具零件的加工与装配工艺、材料的热处理及 压铸工艺参数的选用等方面 ,研究了提高压铸模使用寿命的途径。指出压铸件应设计成薄壁件 ,壁厚应尽量均匀 ,转 角处应有适当的圆角 ,以避免窄而深的凹槽 ;压铸模的各个零、部件应有足够的刚性和强度 ,设计浇注系统时应考虑 防止金属液正面冲击或冲刷型芯 ,对不可避免的易损部位应尽量采用镶拼结构 ;选用耐热模具钢时 ,应注意钢坯应通 过多向反复锻打 ,型芯、镶块等重要模块应进行超声波探伤 ,钢坯锻造后应进行退火处理 ;压铸模型腔表面一般都需 要进行强化处理。 关键词 　压铸模 ;使用寿命 ;热处理 ;途径 中图分类号 　T G249 . 2 　　　　文献标志码 　A 　文章编号 　1001 - 2249 (2008) 05 - 0375 - 03 　　在各种模具中 ,压铸模的工作条件较为苛刻。 进行正常压铸生产时 ,压铸模型腔表面除了受金属 液高速、高压的冲刷外 ,还存在着在合模、压射、开 模、冷却等过程中剧烈的热交换 ,这就要求压铸模应 具有较高的耐热疲劳、导热性、耐磨性、耐蚀性、冲击 韧性、红硬性和良好的脱模性能等 [ 1 ] ,因此提高压铸 模的使用寿命研究显得格外重要。影响压铸模使用 寿命的因素较多 ,如压铸件的结构 [ 2 ] 、模具材料及热 处理、压铸模的结构与制造工艺、压铸工艺参数的选 择等 ,而提高压铸模使用寿命的研究也正是从这些 方面入手的。 1 　压铸件结构设计 (1) 在保证压铸件有足够强度和刚度的条件下 , 压铸件应尽量设计成薄壁件 ,不仅能减轻压铸件的 质量 ,而且还能减少压铸模的热载荷。但压铸件的 壁厚也不宜太薄 ,必须能满足金属液在型腔内的流 动和充型要求 ,一般以 3 mm 左右为最佳。 (2) 压铸件的壁厚应尽量均匀 ,以避免产生热节 点 ,减少局部热量集中 ,降低模具材料的热疲劳 [ 3 ] 。 收稿日期 :2008203222 第一作者简介 :张洪峰 ,男 ,1967 年出生 ,副教授 ,南阳理工学院机电工程系 ,通讯地址 :河南省南阳市长江路 80 号 (473004) ,电话 : 13603776528 , E2mail : zhfzhf333 @163. com 晶硅相的形貌、大小和分布 ,使共晶硅球化、细小和均匀 分布 ,这对铸件获得良好的综合力学性能具有重要意义。 4 　结论 (1)低压铸造 A356 轮毂组织中α2Al 基体呈树枝 状 ,共晶 Si 呈细小颗粒状不均匀分布于晶界处。轮毂 不同部位处的晶粒大小有差别 ,这跟散热条件有关。组 织中分布着针状和鱼骨状的铁基化合物 ,在铸件厚壁及 最后凝固处存在少量缩孔和气孔等铸造缺陷。 (2)低压铸造 A356 轮毂的抗拉强度、屈服强度、伸 长率分别为 303 MPa、225 MPa、1413 % ,比砂型铸造、 熔模铸造且 T6 处理铸件的综合力学性能高 ,这与其有 良好的微观组织有密切关系。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 　WAN G Q G. 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(编辑 :袁振国) 573 压 力 铸 造 特种铸造及有色合金 　2008 年第 28 卷第 5 期 在同一压铸件上 ,最大壁厚与最小壁厚之比不要大于 3 ∶1。 (3)压铸件的转角处应有适当的圆角 ,以避免在压 铸模的相应部位形成尖角 ,从而避免在该处产生裂纹和 塌陷[ 4 ] ,同时也有利于改善金属液的充填条件。 (4)压铸件上应尽量避免窄而深的凹槽 ,以避免在 压铸模相应部位出现窄而高的凸台 ,改善散热条件。 2 　压铸模具设计 (1)压铸模的各个零、部件应有足够的刚性和强度 , 以承受工作时的锁模力、压射力及热应力等。在可能的 情况下 ,应尽量用整体式套板代替传统的支承板和贯通 式套板 ,以提高压铸模的整体承力能力。 (2)设计浇注系统时 ,应尽量防止金属液正面冲击 或冲刷型芯 ,以减少冲蚀的影响。 (3)对不可避免的易损部位 ,特别是较小截面的凸 台、细长的型芯等 ,应尽量采用镶拼结构 ,以便于损坏时 更换。 (4)镶块组合结构要合理 ,避免锐角 ,以适应热处理 的工艺要求 ,防止因应力集中而发生开裂。 (5)正确选择零件的公差配合和表面粗糙度 ,使模 具在工作条件下 ,活动部位不致咬合和窜入金属液[5 ] 。 (6)合理设置冷却孔道[6 ] 。 (7)设计时应注意保持模具的热平衡 ,并通过浇注 系统、排溢系统和冷却系统的合理设计达到提高模具寿 命的目的。 (8)设计时尽量避免出现过定位现象[7 ,8 ] 。 3 　压铸模材料及锻造质量 目前压铸模用钢普遍采用 3Cr2W8V 或 H13。为 充分发挥模具钢的潜力 ,耐热模具钢一般需要经过锻造 工序 ,以破坏原始的带状组织或碳化物的聚集 ,提高其 力学性能。选用耐热模具钢时应注意以下几个方面 : ① 保证模具钢的洁净度 ,使其杂质含量和气体含量最低 ; ②钢坯应通过多向反复锻打 ,控制碳化物偏析 ,消除纤 维状组织及方向性 ,在锻件内部不允许有微裂纹、白点、 缩孔等缺陷 ; ③锻件应进行退火处理 ,以达到所需要的 硬度和金相组织 ; ④型芯、镶块等重要模块应进行超声 波探伤 ,检查合格后方可使用。 4 　模具加工 (1)成形零件的模具表面不允许残留加工和划伤的 痕迹 ,特别是高熔点合金的压铸模 ,该处往往会成为裂 纹的起点。 (2)导滑零件表面的粗糙度要低 ,达到设计要求 ,防 止因擦伤而影响压铸模的寿命。 (3)目前较复杂压铸模基本上都使用电火花加工和 线切割加工等电加工工序。电加工后 ,加工零件应进行 消除应力处理 ,形状复杂、精度要求高的成形零件进行 线切割加工时最好采用两次切割法 ,以减小因内部应力 释放而引起的变形量。 (4)形状复杂、尺寸较大的成形零件 ,粗加工后应进 行消除应力处理 ,以减小成形零件精加工后的变形量。 (5)成形零件加工过程中出现差错时 ,应尽量采用 镶拼的方法解决。对于小面积的加工差错 ,有时也可以 使用氩弧焊进行焊补 ,但焊条材料必须与成形零件完全 一致。 5 　热处理 正确的热处理工艺是提高压铸模使用寿命的一个 关键[9 ] ,下面以常用的耐热模具钢 3Cr2W8V 的热处理 工艺为例。 (1)钢坯锻造后应进行退火处理 ,工艺曲线见图 1。 图 1 　3Cr2W8V 钢锻造后退火工艺曲线 (2)在进行机械加工过程中应及时进行消除应力退 火处理[10 ] ,退火温度一般选取在 650～680 ℃之间 ,保 温时间以 3～4 h 为宜。 (3) 3Cr2W8V 钢中的 Cr 元素能提高钢的淬透性 和模具表面的抗氧化性 , 其铬型碳化物 M23 C6 在 1 050～1 070 ℃时大量溶入奥氏体中 ,淬火后能获得很 高的硬度 ,若淬火温度超过 1 200 ℃,则晶粒度会明显 粗大 ,所以淬火温度选在 1 070 ℃左右比较合适。保温 时间应据成形零件的厚度而定 ,每 25 mm 保温 40～50 min ;硬度 ( HRC) 控制在 52～54 较佳。具体的工艺曲 线见图 2。 图 2 　3Cr2W8V 钢淬火工艺曲线 673 特种铸造及有色合金 　2008 年第 28 卷第 5 期 (4)在正常工作过程中 ,压铸模型腔表面一般在 20 ～600 ℃温度之间进行热循环 ,因此其压铸模的回火温 度必须高于最高工作温度20～50 ℃才行。对于铝合金 用压铸模的成形零件而言 ,其回火温度一般取 650～ 700 ℃,回火次数为 2～3 次 ,每次的回火时间约为 2 h , 回火硬度 ( HRC)应控制在 44～48 之间。 (5)为了避免由于型腔表面热交变应力而产生的龟 裂引起的失效 ,压铸模型腔表面一般都需要进行强化处 理。氮化是目前压铸模成形零件表面强化最常用的方 法[11 ,12 ] ,通过向模具钢的表面渗入活性氮原子 ,在保持 压铸模成形零件内部原有强度与韧性的同时 ,能有效地 提高成形零件部位与金属液接触表面的表面强度 ,从而 提高成形零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温氧化性及疲 劳极限。经过合适的氮化处理后 ,压铸模的使用寿命可 提高 3 倍多。 进行氮化处理时 ,氮化层的总厚度一般应控制在 0125～0130 mm 之间 ,否则氮化层由于脆性较大而易 从基体上剥离。氮化处理后 ,模具成形零件的实体要增 加 ,外形尺寸增大而内孔尺寸缩小 ,变形量一般在 0101～0103 mm 之间。由于氮化处理通常安排在最后 的工序进行 ,因此对于尺寸精度要求很高的压铸模 ,在 制定其成形零件的加工工艺时 ,应适当考虑氮化处理所 引起的变形量。硬氮化和气体软氮化是目前常用的氮 化工艺 ,对于硬氮化而言 ,最佳的氮化温度为 520～530 ℃,氮化时间较长 ,一般需 20～22 h ;对于气体软氮化 而言 ,最佳的氮化温度为 550～560 ℃,氮化时间较短 , 一般需 4～6 h 即可。 6 　压铸工艺 (1)生产前应对压铸模进行预热 ,避免高温的金属 液直接充填未预热的型腔 ,防止型腔内外层温度梯度过 大引起的表面裂纹甚至开裂。压铸模具体的预热温度 应根据所使用的压铸合金进行选用。 (2)采用温控措施 ,使压铸模在生产过程中保持在 适当的工作温度范围内 ,避免因压铸模温度过高而造成 的运动机构失灵。 (3)压铸模的导滑部位应按时润滑。 (4)选用压铸工艺参数时 ,在满足成形工艺的前提 下 ,应尽量采用较低的浇注温度、压射速度及压射比压。 (5)压铸涂料应厚度适中、厚薄均匀[ 13 ] 。 (6)投产后的压铸模型腔部位需定期进行消除热应 力回火处理 ,以减少热应力的积累 ,避免压铸模的开 裂[14 ] ,需要进行消除热应力回火处理的生产模次推荐 值见表 1。第三次以后 ,每两次之间的模次可逐步增 加 ,但不应超过 40 000 模次。 表 1 　需要进行消除热应力回火处理的生产模次推荐表 合金种类 第一次 第二次 锌合金 20 000 50 000 铝合金 5 000～10 000 20 000～30 000 镁合金 5 000～10 000 20 000～30 000 铜合金 500 1 000 7 　结语 提高压铸模的使用寿命是一个综合性的技术问题 , 应从压铸件的结构设计、压铸模具设计、成形零件材料 的选用、模具零件的加工与装配工艺、材料的热处理及 压铸工艺参数的选用等多方面进行综合考虑 ,同时还要 根据压铸模的具体使用情况 ,在生产过程中进行适当的 定期热处理。 参 　考 　文 　献 [1 ] 　KL EIN F. 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(编辑 :袁振国) 773 提高压铸模使用寿命的途径 　张洪峰等 Ⅳ　　　　 microst ruct ure of billet s p repared by vertical continu2 ous casting exhibit s evident sp heroid , and average ten2 sile st rength and elongation of t he slurry reach up to 250 MPa and 15 % , respectively. The holding time should be shortened as possible to keep fine and sp he2 roidized st ruct ure in slurry during reheating process under t he condition of uniform temperat ure field. The tensile st rengt h and elongation of semi2solid die cast2 ings reach up to 330 MPa and more t han 10 % , respec2 tively. The f ut ure develop ment in indust ry and f unda2 mental understand was proposed. Key Words : Semi2sol id Processing , Aluminum Alloy , Numerical Simulation , Rheological Behavior , Automo2 bile Part Microstructure and Mechanical Properties of Low2pres2 sure Casting A356 Aluminum Alloy Wheel Hub Yi Yo u2 fu1 , Lo ng Siyua n1 , Xu Shao yo ng2 , Wa ng Ruifei1 , Ta ng Xiaolia ng3 ( 1. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys , Chongqing U niversity , Chongqing , China ; 2. Chongqing SinoST Company , Chongqing , China ; 3. College of Mechanical Engi2 neering , Chongqing U niversity , Chongqing , China ) 2008 ,28 (5) 373～375 Abstract The microst ructure and mechanical p roperties of low pressure casting magnesium alloy wheel have been investigated. The result s reveal t hat p rimary α2 Al p hase in t he microst ruct ure is dendrite , and fine eutectic Si particle is dist ributed along t he grain boundary. In addition , t he grain size at different loca2 tion of wheel is obviously different . There exist s nee2 dle2 and fishbone2like Fe based compound , oxidized film and shrinkage hole as well gas hole in t he micro2 st ruct ure of t he magnesium alloy wheel. The tensile st rengt h , yield st rength and elongation of t he wheel in die casting are 303 MPa , 225 MPa and 1413 % , re2 spectively , which are obviously superior to t hose in sand casting and in invest ment casting. Key Words : A356 Alloy , Wheel , Low Pressure Casting , Microstructure , Mechanical Properties Ways of Improving Service Life of Die Casting Die Zha ng Ho ngfeng1 , Zha ng J it ao2 ( 1. Depart ment of Mechanical and Elect ric Engineering , Nanyang Insti2 t ute of Technology , Nanyang , China ; 2. Henan Poly2 technic Instit ute , Nanyang , China) 2008 ,28 (5) 375～ 377 Abstract Ways of improving service life of die casting die were p roposed including st ruct ure design of die castings , design of die casting die , t he selection of component materials , working and assembling of mould , heat t reatment of materials as well as selection of p rocessing parameters. It is pointed out t hat t he die castings should be designed to t hin2walled component s with uniform t hickness as possible , in which t he round angle should be adopted at turn corner to avoid deep and narrow slot . The component s in die casting die should be ensured rigidity and st rengt h , and t he im2 paction of liquid metal should be prevented at gating system design , and so on. Steel billet should be an2 nealed af ter forging , and t he surface of cavity in die casting die should be st rengthened. Key Words : Die Casting Die , Service Life , Heat Treat2 ment , Way K403 Gas Turbine Nozzle in Investment Casting Zho u Zhihua 1 , Ya ng Ma nli1 , Li Wei1 , Chen Xingfu1 , Pei Zho ngye2 , Li J unt ao1 , Zhao Mingha n1 ( 1. High Temperat ure Materials Research Instit ute , General I2 ron and Steel Research Instit ute , Beijing , China ; 2. School of Materials and Metallurgy , Northeastern U2 niversity , Shenyang , China) 2008 ,28 (5) 378～380 Abstract K403 alloy gas t urbine nozzle was p roduced by invest ment casting , and t he casting process has been investigated systematically. The result s show t hat the developing period of t he K403 alloy gas t ur2 bine nozzle can be greatly shortened wit h t he reduction of p roduction cost by rapid prototyping technology to produce invest ment pat tern. The castings have desira2 ble metallurgical quality and entirely meet t he require2 ment s of t he design and use by adopting the united2in2 pouring gating system wit h higher pouring and shell mold temperat ure. Key Words : K403 Superalloy , Investment Casting , Rapid Prototyping , Gating System Application of Special Sand ( powder ) Substituted for ZrO2 Powder in Investment Casting Chen Lei , Ma Qia nli , J ing Zo ngli a ng ( Cangzhou Jinlong Stainless Steel Production Co . , Ltd. , Cangzhou , China) 2008 , 28 (5) 380～382 Abstract It played evident role for p roduction of in2 vest ment castings since middle2temperat ure wax , shell mold made of sol silicate2ZrO2 slurry2 ZrO2 face layer and dewaxing by vaporization were used by t he end of 1980’s. However , ZrO2 sand (powder) possesses ex2 pensive price and limited resource , resulting in t he high production cost . The shell2making met hod of special sand ( powder ) substit uted for ZrO2 sand (powder) was described. The surface roughness and size p recision of the invest ment castings are very desir2 able , obviously reducing t he production cost . Key Words : Special Sand ( Powder ) for Investment Casting , Slurry , Coating Preparation of Bimetal Composite Materials of Copper Cladding Aluminum by Continuous Core2f ill ing Cast Technology Xue Zhiyo ng1 , Wu Chunjing2 , Zha ng Zhi3 (1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Con2 t rol for Power Plant Equip ment , Minist ry of Educa2 tion , Nort h China Power University , Beijing , China ; 2. School of Materials Science and Engineering , U ni2 versity of Science and Technology Beijing , Beijing , China ; 3. Shanxi Province Mechanical and Elect ric