壓鑄模具性能與壽命的影響因素

黃宇劍（蘇州興業材料科技股份有限公司，江蘇蘇州 215151）

壓鑄模具性能與壽命的影響因素

黃宇劍
（蘇州興業材料科技股份有限公司，江蘇蘇州 215151）

模具材料、模具設計與制造、模具表面處理技術和模具使用等因素影響壓鑄模具性能和使用壽命。模具、壓鑄機和壓鑄材料是壓鑄生產的三大要素。只有優質的模具才能穩定、高效生產出質量好的鑄件。通過對壓鑄模具可表面進行嚴謹和合理的技術處理，其性能和壽命能得到大幅度提高。綜合考慮這些因素可以有效提升壓鑄模具的性能，延長壓鑄模壽命。

壓鑄模具 性能 壽命

壓力鑄造（簡稱壓鑄）具有生產效率高、 生產流程短、鑄件光潔度和強度較高、加工余量少、節約金屬材料等工藝特點［1］。我國近年來壓鑄行業發展迅速，總產量增長明顯，已經是名符其實的壓鑄大國。模具、壓鑄機和壓鑄材料是壓鑄生產的三大要素。只有優質的模具才能穩定、高效生產出質量好的鑄件。壓鑄模具的工作環境十分惡劣：型腔在壓鑄生產過程中，直接與高溫、高壓、高速的金屬液相接觸，受到金屬液的直接沖刷，容易磨損、高溫氧化和各種腐蝕；高效率的生產使模具溫度周期性的劇烈升高和降低，工作表面易產生熱疲勞裂紋；金屬被強制變形時，與型腔表面摩擦，易磨損模具并降低其硬度［2］。模具造價成本高、制作周期長、修復難，在使用壽命上也顯得尤為重要。因此，對影響模具性能和使用壽命的因素研究有利于提高鑄件質量和降低由于模具提前報廢導致的經濟損失。一般來說，影響壓鑄模性能和使用壽命的因素包括模具材料、模具設計與制造、表面處理技術和模具具體使用情況。

1　模具材料

壓鑄模具的性能和使用壽命與模具的材質緊密相關。好的壓鑄模具制造材料一般有以下特點：良好的切削性和鍛造性；高的耐磨、耐蝕性能；在高溫下高強度、高紅硬性、抗高溫氧化性、抗沖擊韌度和回火穩定性；良好的導熱性和抗疲勞性；熱膨脹系數小；較小熱處理變形率和好的淬透性。

我國過去普遍使用3Cr2W8V熱作模具鋼，壓鑄模壽命為5萬模次左右［3］。90年代引進H13熱作模具鋼，所生產的壓鑄模使用壽命可達15～20萬模次，是目前廣泛應用的壓鑄模材料。3Cr2W8V熱作模具鋼有較高的強度和硬度、耐冷熱疲勞性良好，且有較好的淬透性，但是韌性和塑性較差，使用壽命不長，且合金度高，成本高。H13在中溫（～600℃）下的綜合性能好，淬透性高（在空氣中即能淬硬），熱處理變形率較低，其性能及使用壽命高于3Cr2W8V。

壓鑄模具的選材，除了依據澆鑄金屬的溫度和澆鑄金屬的種類，還應考慮壓鑄模的各部件受到澆鑄金屬的沖擊和磨損。溫度越高，材料應具有越高的熱疲勞性能和高溫性能。磨損較嚴重的部件應具有更高的硬度。壓鑄模具工作條件的日益苛刻，對模具材料的冶金質量、性能、壽命等要求不斷提高，特別是材料純凈度、等向性要求更高，一些高合金、高質、優化的模具材料不斷出現，反過來也促進壓鑄行業的發展。

2　模具設計與制造

合理的模具設計是延長壓鑄模具使用壽命的重要前提。合理的壁厚和冷卻水道設計能保證模具的強度和熱平衡。模具設計中要特別注意工作中產生應力集中、有較大磨蝕的部位。選配各零件精度需合理：間隙過大則導熱不佳，導致熱疲勞損傷；間隙過小則產生擠壓力和拉應力。在模具制造過程中容易產生內應力，而內應力對模具使用壽命有很大影響。因此，在制造加工模具過程中應盡量避免產生和及時消除內應力。如粗加工后及時去應力回火，用電脈沖替代電火花降低模具表面引張力。

3　模具表面處理技術

通過對壓鑄模具可表面進行嚴謹和合理的技術處理，其性能和壽命能得到大幅度提高。壓鑄模具表面處理技術大體可以分為三個大類：傳統熱處理工藝改進技術；表面改性技術，如表面激光處理技術；涂鍍技術。

（1）傳統熱處理工藝改進技術。傳統的壓鑄模具熱處理工藝是淬火-回火，所謂的傳統熱處理工藝的改進技術是將淬火-回火與先進的表面處理工藝相結合。如NQN（即碳氮共滲-淬火-碳氮共滲復合強化），模具表面硬度更高，內部強度增加、滲層硬度梯度合理、回火穩定性和耐蝕性提高，綜合性能和使用壽命大幅提高。

（2）表面改性技術。表面改性技術指的是利用物理或者化學方法將模具表層性能改變，一般來說有兩種：表面熱、擴、滲技術和表面激光處理技術。

表面熱、擴、滲技術包括滲碳、滲氮、滲硼以及碳氮共滲、硫碳氮共滲等。滲碳有助于強化模具表面硬度。滲碳工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳、以及真空滲碳、離子滲碳。真空滲碳和離子滲碳滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形小。滲氮工藝簡便，模具氮化層硬度高、耐磨磨性好，有較好的抗粘模性能。滲硼提升表面性能最明顯，模具硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗粘連性明顯提高，但是工藝條件苛刻。

激光處理模具表面是近三十年興起的技術，以兩種方式來提升模具表面性能。一種是激光融化模具表面成型，之后再與滲碳、滲氮、鍍層等工藝相結合。另一種方法是將激光處理表面技術與一些物理性質較好的金屬輔料相結合，使其融入壓鑄模具表面。

（3）涂鍍技術。涂鍍技術就是在表面涂上鍍層的方式為模具穿上一層防護衣，比如聚四氟乙烯復合鍍，主要目的是增強模具的耐磨性、耐腐性和抗冷熱的能力。

4　模具使用

選擇合理的壓鑄工藝和維護保養對模具的使用壽命至關重要。很大部分模具的損傷都是沒有正確使用和缺少科學保養造成的。首先，要對模具的溫度控制特別注意，在生產前對模具進行預熱，生產中保持適當的溫度范圍，防止型腔內外層溫度梯度過大引起的表面裂紋甚至開裂。其次，選用優質壓鑄脫模劑，其厚度適中，薄厚均勻涂覆模具型面，對保護模具材料起到重要作用。最后，為了減少熱應力積累，避免壓鑄模具開裂，需定期采用回火等技術消除熱應力。

5　結語

壓鑄模具材料、模具設計和制造、模具表面處理技術和模具使用綜合影響模具的性能和使用壽命。綜合這些因素并采取有效措施，可以有效提升壓鑄模具的性能，延長壓鑄模具使用壽命。

［1］余龍飛，李莉，李歡玲.耐高溫鋁鋅金屬壓鑄脫模劑的研制［J］.廣東化工，2009，36（9）：21 -50.

［2］于波，謝建慶，王霆.新型熱作模具用鋼的發展現狀及應用［J］.熱處理技術與裝備，2008，29（6）：6-8.

［3］ 駱 枏生，許琳.金屬壓鑄工藝與模具設計［M］.北京，清華大學出版社，2006.

黃宇劍（1981—），男，江西贛州人，博士，主要研究方向為脫模劑開發。