提高小家电压铸模具使用寿命的措施

王金龙 章清明

摘要：热疲劳失效为小家电压铸模具主要失效模式。针对失效机理，从模具选材、毛坯锻造和热处理规范等方面采取常规改进措施，同时选用离子渗氮等表面强化工艺，并建立了合理的模具使用维护规范。综合运用上述措施，明显地提高了压铸模具的使用寿命，取得了良好的效果。

关键词：小家电；压铸模具；失效机理；热处理；表面处理

小家电产量大，零配件的种类和数量较多，压铸生产以其较高的生产效率和成型质量成为小家电产业配件的首选生产工艺。但与国际先进的压铸生产相比，压铸模具的寿命偏低使得生产成本较高【1】。因此，为提高企业效益，就要寻求提高压铸模具使用寿命的措施。应用于小家电的压铸模的失效形式，根据生产统计的结果，其失效形式主要是热疲劳（龟裂）。虽然有时也发生开裂失效，但主要出现在部分大型压铸模具上，所占比例很低【2】。

压铸模具材料质量的提高与改进对其热疲劳寿命的提高影响极大。铝合金压铸模用的材料，要求具有高的高温强度、回火抗力和热疲劳抗力。实践证明，采用含铬5%的铬系钢比含钨9%的钨系钢有更好的应用效果，其代表性钢种为4Cr5MoSiV1，即常用的H13。研究者优先选用瑞典8407，可提高模具的热疲劳性能，使模具寿命从大约6万模次上升到7万模次左右。

采用先进的毛坯锻造工艺有两个目的，一是使碳化物分布均匀，二是形成合理的流线分布，以提高钢材的耐磨性和各向同性以及抗咬合能力。笔者研究所采用的H13钢热处理包括预处理、淬火和两次回火的工艺，该热处理工艺比较适合公司产品的压铸模具，能够满足H13钢在高温下的机械性能要求，能明显改善材料的综合机械性能。

采用表面强化工艺提高模具表层的强度、耐磨性及耐蚀性，由此提高模具的使用寿命。离子渗氮法是在模具上应用较多和使用效果较好的一种表面强化方法。渗氮层可有效提高模具的耐磨性和疲劳强度，并改善零件的耐介质腐蚀能力。笔者采用了二次渗氮工艺。这种工艺可以分解容易在服役过程中产生微裂纹的氮化物白亮层，同时使模具表面存在很厚的残余压应力层，确定了渗氮层的较佳厚度为0.2mm左右。激光表面强化处理是使用激光束进行加热，使工件表面迅速熔化成一定深度的薄层，同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后在模具表面获得厚度为10～1000微米具有特殊性能的合金层，冷却速度相当于激冷淬火。与常规热处理相比，激光热处理具有淬硬层深度可控，不需要回火，硬度可提高15%～20%，淬火组织细小，耐磨性高，节能效果显著，并可改善工作条件等优点。物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）技术在表面改性技术中是研究应用较多的。近年来，在综合分析CVD和PVD优缺点的基础上，研制开发出了等离子CVD法，用以涂覆涂层，在模具的应用上取得有良好的效果。笔者先后选择了铝合金压铸浇注系统的浇口套、分流锥，利用PCVD工艺进行碳化钨（WC）涂覆。在H13钢表层经过等离子注入WC形成WC注渗钢基合金层，使H13的耐高温性能、红硬性更好，同时又具有抵抗铝液冲刷、熔损和腐蚀的能力，能使其使用寿命大大提高。

正确地使用并辅之以精心的养护也是提高压铸模具寿命的重要途径。正确地使用和保养压铸模具主要包括合理选用预热制度、合理选用压铸模的工作温度、合理的除应力处理以及改善润滑条件等。在操作前对压铸模具进行预热，可提高其韧性，并可降低模具型腔表面层的温度梯度和热应力。根据小家电产品的实际生产经验，H13钢制铝合金压铸模的预热温度以190～210℃为宜。预热时应缓慢加热预热，以达到良好的预热效果。在热疲劳条件下工作的铝合金压铸模的寿命，与压铸模模腔表层的抗拉强度及模腔与压铸液态金属的温差有关。温差为300℃左右时的压铸模寿命为温差400℃左右时的10倍。因此，在压铸操作过程中应很好地控制模腔表层的冷却。模具的冷却一般采用冷却水管冷却，将整副模具的温度降低到最合适的范围。为达到部分冷却的目的，多用循环式冷却水管和喷流式冷却水管。根据实际生产经验，采用50℃左右的恒温供水系统进行冷却，同时绝对禁止用冷水激冷模具。在压铸模具的使用过程中间采用除应力回火处理，使疲劳裂纹在尚未出现的孕育期内被彻底消除。中间除应力回火的温度要比模具回火温度低30～50℃，保温3～4h，随炉缓冷。对于小家电压铸模的经验是：对用于压铸重100g的铝合金压铸件的压铸模，在压铸25000次后进行一次去应力回火处理；100～500g压铸件的模具，在10000次后进行去应力回火；大于500g的在5000次后进行去应力回火。选用压铸涂料时应满足压铸件使用要求，如复杂结構压铸件应选用隔离和润滑作用好的涂料，装饰性压铸件应选用对表面质量影响小的涂料。目前国内外普遍采用水基涂料。水基涂料脱模性好，压铸件表面光洁，致密度高，且无油基涂料燃烧时的烟雾，有良好的润滑效果，既不会着火，也不会对健康有害；但要保证喷射力，使液滴穿过蒸汽层垫，使之达到模腔表面起到冷却和润滑的作用。同时，为增强润滑的效果，可对压铸模模腔进行喷丸处理，使模腔表面形成显微尺度大小的球面凹坑，可增加模腔表面润滑剂的储存量。

综合运用以上的改进常规方法和新工艺，可以使小家电压铸模具寿命提高10%～20%，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]杨裕国.压铸工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2005

[2]王德文.提高模具寿命应用技术实例[M].北京：机械工业出版社，2004