提高小家電壓鑄模具使用壽命的措施

王金龍 章清明

摘要：熱疲勞失效為小家電壓鑄模具主要失效模式。針對失效機理，從模具選材、毛坯鍛造和熱處理規范等方面采取常規改進措施，同時選用離子滲氮等表面強化工藝，并建立了合理的模具使用維護規范。綜合運用上述措施，明顯地提高了壓鑄模具的使用壽命，取得了良好的效果。

關鍵詞：小家電；壓鑄模具；失效機理；熱處理；表面處理

小家電產量大，零配件的種類和數量較多，壓鑄生產以其較高的生產效率和成型質量成為小家電產業配件的首選生產工藝。但與國際先進的壓鑄生產相比，壓鑄模具的壽命偏低使得生產成本較高【1】。因此，為提高企業效益，就要尋求提高壓鑄模具使用壽命的措施。應用于小家電的壓鑄模的失效形式，根據生產統計的結果，其失效形式主要是熱疲勞（龜裂）。雖然有時也發生開裂失效，但主要出現在部分大型壓鑄模具上，所占比例很低【2】。

壓鑄模具材料質量的提高與改進對其熱疲勞壽命的提高影響極大。鋁合金壓鑄模用的材料，要求具有高的高溫強度、回火抗力和熱疲勞抗力。實踐證明，采用含鉻5%的鉻系鋼比含鎢9%的鎢系鋼有更好的應用效果，其代表性鋼種為4Cr5MoSiV1，即常用的H13。研究者優先選用瑞典8407，可提高模具的熱疲勞性能，使模具壽命從大約6萬模次上升到7萬模次左右。

采用先進的毛坯鍛造工藝有兩個目的，一是使碳化物分布均勻，二是形成合理的流線分布，以提高鋼材的耐磨性和各向同性以及抗咬合能力。筆者研究所采用的H13鋼熱處理包括預處理、淬火和兩次回火的工藝，該熱處理工藝比較適合公司產品的壓鑄模具，能夠滿足H13鋼在高溫下的機械性能要求，能明顯改善材料的綜合機械性能。

采用表面強化工藝提高模具表層的強度、耐磨性及耐蝕性，由此提高模具的使用壽命。離子滲氮法是在模具上應用較多和使用效果較好的一種表面強化方法。滲氮層可有效提高模具的耐磨性和疲勞強度，并改善零件的耐介質腐蝕能力。筆者采用了二次滲氮工藝。這種工藝可以分解容易在服役過程中產生微裂紋的氮化物白亮層，同時使模具表面存在很厚的殘余壓應力層，確定了滲氮層的較佳厚度為0.2mm左右。激光表面強化處理是使用激光束進行加熱，使工件表面迅速熔化成一定深度的薄層，同時采用真空蒸鍍、電鍍、離子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其與基體金屬充分融合，冷凝后在模具表面獲得厚度為10～1000微米具有特殊性能的合金層，冷卻速度相當于激冷淬火。與常規熱處理相比，激光熱處理具有淬硬層深度可控，不需要回火，硬度可提高15%～20%，淬火組織細小，耐磨性高，節能效果顯著，并可改善工作條件等優點。物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）技術在表面改性技術中是研究應用較多的。近年來，在綜合分析CVD和PVD優缺點的基礎上，研制開發出了等離子CVD法，用以涂覆涂層，在模具的應用上取得有良好的效果。筆者先后選擇了鋁合金壓鑄澆注系統的澆口套、分流錐，利用PCVD工藝進行碳化鎢（WC）涂覆。在H13鋼表層經過等離子注入WC形成WC注滲鋼基合金層，使H13的耐高溫性能、紅硬性更好，同時又具有抵抗鋁液沖刷、熔損和腐蝕的能力，能使其使用壽命大大提高。

正確地使用并輔之以精心的養護也是提高壓鑄模具壽命的重要途徑。正確地使用和保養壓鑄模具主要包括合理選用預熱制度、合理選用壓鑄模的工作溫度、合理的除應力處理以及改善潤滑條件等。在操作前對壓鑄模具進行預熱，可提高其韌性，并可降低模具型腔表面層的溫度梯度和熱應力。根據小家電產品的實際生產經驗，H13鋼制鋁合金壓鑄模的預熱溫度以190～210℃為宜。預熱時應緩慢加熱預熱，以達到良好的預熱效果。在熱疲勞條件下工作的鋁合金壓鑄模的壽命，與壓鑄模模腔表層的抗拉強度及模腔與壓鑄液態金屬的溫差有關。溫差為300℃左右時的壓鑄模壽命為溫差400℃左右時的10倍。因此，在壓鑄操作過程中應很好地控制模腔表層的冷卻。模具的冷卻一般采用冷卻水管冷卻，將整副模具的溫度降低到最合適的范圍。為達到部分冷卻的目的，多用循環式冷卻水管和噴流式冷卻水管。根據實際生產經驗，采用50℃左右的恒溫供水系統進行冷卻，同時絕對禁止用冷水激冷模具。在壓鑄模具的使用過程中間采用除應力回火處理，使疲勞裂紋在尚未出現的孕育期內被徹底消除。中間除應力回火的溫度要比模具回火溫度低30～50℃，保溫3～4h，隨爐緩冷。對于小家電壓鑄模的經驗是：對用于壓鑄重100g的鋁合金壓鑄件的壓鑄模，在壓鑄25000次后進行一次去應力回火處理；100～500g壓鑄件的模具，在10000次后進行去應力回火；大于500g的在5000次后進行去應力回火。選用壓鑄涂料時應滿足壓鑄件使用要求，如復雜結構壓鑄件應選用隔離和潤滑作用好的涂料，裝飾性壓鑄件應選用對表面質量影響小的涂料。目前國內外普遍采用水基涂料。水基涂料脫模性好，壓鑄件表面光潔，致密度高，且無油基涂料燃燒時的煙霧，有良好的潤滑效果，既不會著火，也不會對健康有害；但要保證噴射力，使液滴穿過蒸汽層墊，使之達到模腔表面起到冷卻和潤滑的作用。同時，為增強潤滑的效果，可對壓鑄模模腔進行噴丸處理，使模腔表面形成顯微尺度大小的球面凹坑，可增加模腔表面潤滑劑的儲存量。

綜合運用以上的改進常規方法和新工藝，可以使小家電壓鑄模具壽命提高10%～20%，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]楊裕國.壓鑄工藝與模具設計[M].北京：機械工業出版社，2005

[2]王德文.提高模具壽命應用技術實例[M].北京：機械工業出版社，2004