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(duì)失效機(jī)理，從模具選材、毛坯鍛造和熱處理規(guī)范等方面采取常規(guī)改進(jìn)措施，同時(shí)選用離子滲氮等表面強(qiáng)化工藝，并建立了合理的模具使用維護(hù)規(guī)范。綜合運(yùn)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(guān)鍵詞：小家電；壓鑄模具；失效機(jī)理；熱處理；表面處理

小家電產(chǎn)量大，零配件的種類(lèi)和數(shù)量較多，壓鑄生產(chǎn)以其較高的生產(chǎn)效率和成型質(zhì)量成為小家電產(chǎn)業(yè)配件的首選生產(chǎn)工藝。但與國(guó)際先進(jìn)的壓鑄生產(chǎn)相比，壓鑄模具的壽命偏低使得生產(chǎn)成本較高【1】。因此，為提高企業(yè)效益，就要尋求提高壓鑄模具使用壽命的措施。應(yīng)用于小家電的壓鑄模的失效形式，根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，其失效形式主要是熱疲勞（龜裂）。雖然有時(shí)也發(fā)生開(kāi)裂失效，但主要出現(xiàn)在部分大型壓鑄模具上，所占比例很低【2】。

壓鑄模具材料質(zhì)量的提高與改進(jìn)對(duì)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(qiáng)度、回火抗力和熱疲勞抗力。實(shí)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(yīng)用效果，其代表性鋼種為4Cr5MoSiV1，即常用的H13。研究者優(yōu)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(wàn)模次上升到7萬(wàn)模次左右。

采用先進(jìn)的毛坯鍛造工藝有兩個(gè)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(yù)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(chǎn)品的壓鑄模具，能夠滿足H13鋼在高溫下的機(jī)械性能要求，能明顯改善材料的綜合機(jī)械性能。

采用表面強(qiáng)化工藝提高模具表層的強(qiáng)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(yīng)用較多和使用效果較好的一種表面強(qiáng)化方法。滲氮層可有效提高模具的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并改善零件的耐介質(zhì)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(guò)程中產(chǎn)生微裂紋的氮化物白亮層，同時(shí)使模具表面存在很厚的殘余壓應(yīng)力層，確定了滲氮層的較佳厚度為0.2mm左右。激光表面強(qiáng)化處理是使用激光束進(jìn)行加熱，使工件表面迅速熔化成一定深度的薄層，同時(shí)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(dāng)于激冷淬火。與常規(guī)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(xì)小，耐磨性高，節(jié)能效果顯著，并可改善工作條件等優(yōu)點(diǎn)。物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在表面改性技術(shù)中是研究應(yīng)用較多的。近年來(lái)，在綜合分析CVD和PVD優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)出了等離子CVD法，用以涂覆涂層，在模具的應(yīng)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(tǒng)的澆口套、分流錐，利用PCVD工藝進(jìn)行碳化鎢（WC）涂覆。在H13鋼表層經(jīng)過(guò)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(shí)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(yǎng)護(hù)也是提高壓鑄模具壽命的重要途徑。正確地使用和保養(yǎng)壓鑄模具主要包括合理選用預(yù)熱制度、合理選用壓鑄模的工作溫度、合理的除應(yīng)力處理以及改善潤(rùn)滑條件等。在操作前對(duì)壓鑄模具進(jìn)行預(yù)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(yīng)力。根據(jù)小家電產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，H13鋼制鋁合金壓鑄模的預(yù)熱溫度以190～210℃為宜。預(yù)熱時(shí)應(yīng)緩慢加熱預(yù)熱，以達(dá)到良好的預(yù)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(qiáng)度及模腔與壓鑄液態(tài)金屬的溫差有關(guān)。溫差為300℃左右時(shí)的壓鑄模壽命為溫差400℃左右時(shí)的10倍。因此，在壓鑄操作過(guò)程中應(yīng)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(dá)到部分冷卻的目的，多用循環(huán)式冷卻水管和噴流式冷卻水管。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用50℃左右的恒溫供水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，同時(shí)絕對(duì)禁止用冷水激冷模具。在壓鑄模具的使用過(guò)程中間采用除應(yīng)力回火處理，使疲勞裂紋在尚未出現(xiàn)的孕育期內(nèi)被徹底消除。中間除應(yīng)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(duì)于小家電壓鑄模的經(jīng)驗(yàn)是：對(duì)用于壓鑄重100g的鋁合金壓鑄件的壓鑄模，在壓鑄25000次后進(jìn)行一次去應(yīng)力回火處理；100～500g壓鑄件的模具，在10000次后進(jìn)行去應(yīng)力回火；大于500g的在5000次后進(jìn)行去應(yīng)力回火。選用壓鑄涂料時(shí)應(yīng)滿足壓鑄件使用要求，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓鑄件應(yīng)選用隔離和潤(rùn)滑作用好的涂料，裝飾性壓鑄件應(yīng)選用對(duì)表面質(zhì)量影響小的涂料。目前國(guó)內(nèi)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(wú)油基涂料燃燒時(shí)的煙霧，有良好的潤(rùn)滑效果，既不會(huì)著火，也不會(huì)對(duì)健康有害；但要保證噴射力，使液滴穿過(guò)蒸汽層墊，使之達(dá)到模腔表面起到冷卻和潤(rùn)滑的作用。同時(shí)，為增強(qiáng)潤(rùn)滑的效果，可對(duì)壓鑄模模腔進(jìn)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(rùn)滑劑的儲(chǔ)存量。

綜合運(yùn)用以上的改進(jìn)常規(guī)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(xiàn)：

[1]楊裕國(guó).壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[2]王德文.提高模具壽命應(yīng)用技術(shù)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004