金屬壓鑄是先進(jìn)的少、無(wú)切削工藝，具有生產(chǎn)效益高、節(jié)省原材料、降低生產(chǎn)成本、鑄件性能好、精度高等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。其中壓鑄鑄件最大的市場(chǎng)是汽車工業(yè)，隨著人類更加關(guān)注可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保的最佳途徑。用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵制造汽車，可使整車重量減輕30％左右。由于壓鑄模具是在高壓(30～150MPa)下將400～1，6000C的熔融金屬壓鑄成型。成型過(guò)程中，模具周期性地經(jīng)加熱和冷卻，且受到高速噴人的灼熱金屬?zèng)_刷和腐蝕。模具用料要求有較高的熱疲勞抗力、導(dǎo)熱性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學(xué)性能。要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅靠模具材料的應(yīng)用仍然很難滿足，必須將各種表面處理技術(shù)應(yīng)用到壓鑄模具的表面處理當(dāng)中才能達(dá)到對(duì)壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。
2、壓鑄模失效形式
壓鑄模工作時(shí)與高溫的液體金屬接觸，不僅受熱時(shí)間長(zhǎng)，而且受熱的溫度比鍛模還高，壓鑄有色金屬的溫度300～800℃，壓鑄黑色金屬的溫度達(dá)1000℃以上。還承受了很高的壓力30～150MPa，受到反復(fù)加熱和冷卻以及金屬液流動(dòng)的高速?zèng)_刷而產(chǎn)生的磨損和腐蝕，并被反復(fù)加熱、冷卻，加工環(huán)境較惡劣。據(jù)失效形式統(tǒng)計(jì)，用3Cr2W8V作壓鑄模材料，65％是熱疲勞，15％是開裂，6％是磨耗，4％是沖蝕失效。
2．1 疲勞裂紋
熱疲勞裂紋是壓鑄模最常見的失效形式，占失效比例大。壓鑄過(guò)程中壓鑄模在300～8000C的熱循環(huán)及脫模劑導(dǎo)致的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交變循環(huán)，反復(fù)經(jīng)受急冷、急熱所造成的熱應(yīng)力，導(dǎo)致在型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處逐漸產(chǎn)生微裂紋，其形貌多數(shù)呈現(xiàn)網(wǎng)狀，稱龜裂，也有呈放射狀。熱應(yīng)力使熱疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展成宏觀裂紋。從而導(dǎo)致壓鑄模失效。熱疲勞裂紋是熱循環(huán)應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用而產(chǎn)生的。塑性應(yīng)變促進(jìn)裂紋的形成，拉伸應(yīng)力促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展與延伸。從微觀分析，熱疲勞裂紋在晶界碳化物、夾雜物集中區(qū)萌生，應(yīng)選鋼質(zhì)潔凈、顯微組織均勻的優(yōu)質(zhì)模具鋼有較高的熱疲勞抗力。
2．2 整體脆性開裂
整體脆性開裂是由于偶然的機(jī)械過(guò)載或熱過(guò)載而導(dǎo)致壓鑄模災(zāi)難性斷裂。材料斷裂時(shí)所達(dá)到的應(yīng)力值一般都遠(yuǎn)低于材料的理論強(qiáng)度，由于微裂紋的存在，受力后將引起應(yīng)力集中，使裂紋尖端處的應(yīng)力比平均應(yīng)力高得多。壓鑄模脆性開裂引起的原因很多，而材料的塑韌性是箱對(duì)應(yīng)的最重要的力學(xué)性能。模具鋼中夾雜物減少，韌性明顯提高，在生產(chǎn)中整體脆裂的情況較少發(fā)生。
2．3 溶蝕或沖蝕
熔融的金屬液以高壓、高速進(jìn)入型腔。對(duì)壓鑄模成型零件的表面產(chǎn)生激烈的沖擊和沖刷，造成型腔表面的機(jī)械沖蝕，高溫使壓鑄模硬度下降，導(dǎo)致型腔軟化，產(chǎn)生塑性變形和早期磨損。在填充過(guò)程中，熔液產(chǎn)生湍流導(dǎo)致的空蝕效應(yīng)或熔液中的微小顆粒產(chǎn)生的沖刷，高溫金屬液中雜質(zhì)和熔渣對(duì)模腔表面產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)變化，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，熔融金屬液逸出氣泡使型腔發(fā)生氣蝕，這種機(jī)械和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果都在加速表面的腐蝕和裂紋的生成。提高模具材料的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強(qiáng)材料的抗侵蝕能力。
3、影響熱疲勞的因素
3．1 模具溫度影響
壓鑄時(shí)速度很高，壓力很大，模具表面受到很強(qiáng)的沖擊負(fù)載，模具表面接觸高溫熔體，其溫度最高8700C，在這樣高溫急熱下，模具表面產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力。每次壓鑄前在模具內(nèi)噴潤(rùn)滑劑進(jìn)行急冷，模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，這種交變熱應(yīng)力在超過(guò)模面的屈服強(qiáng)度時(shí)在表面產(chǎn)生熱疲勞微裂紋，急劇擴(kuò)散，向心部擴(kuò)散形成龜裂。將引起鑄件拉傷及粘模，嚴(yán)重的造成模具早期開裂。
3．2 材料基本特性
壓鑄在急熱急冷的壓鑄環(huán)境下工作，對(duì)壓鑄模材料有以下要求：
(1)抗熱疲勞和抗熱沖擊性能好，不易產(chǎn)生裂紋。
(2)韌性和延展性好，改善模具尖角和凸出部分的抗沖撞擊能力。
(3)良好的熱硬性、熱強(qiáng)性，淬透性，耐磨性和高溫抗氧性。
(4)熱處理變形小，熱膨脹系數(shù)小等等。常用于壓鑄模的以鉻、鎢和鉬為主的熱作模具鋼3Cr2W8V和H13鋼(4Cr5MoSiVl)。目前，使用壓鑄模多用H13鋼，是以合金元素鉻為主的熱作模具鋼，具有良好的韌性、熱疲勞抗力和抗氧化性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，其使用壽命可達(dá)到相當(dāng)高的水平，現(xiàn)已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應(yīng)用，國(guó)外90％以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。模具材質(zhì)控制很重要。壓鑄模用的H13鋼必需是鋼質(zhì)潔凈，組織均勻，偏析輕微，等向性好的優(yōu)質(zhì)鋼。國(guó)外優(yōu)質(zhì)H13鋼的生產(chǎn)過(guò)程中采用了一系列先進(jìn)工藝技術(shù)，如通過(guò)真空除氣、電渣重熔等精煉技術(shù)提高潔凈度，再通過(guò)多向扎制或反復(fù)墩鍛及采用超細(xì)化處理技術(shù)，使H13鋼具有優(yōu)良的內(nèi)在質(zhì)量。運(yùn)用先進(jìn)冶煉工藝提供更多的高純度壓鑄模具鋼，是今后的方向。
4、壓鑄模熱處理流程
通過(guò)熱處理可以改變材料的金相組織，以保證必要的強(qiáng)度和硬度、高溫下尺寸的穩(wěn)定性，抗熱疲勞性能和材料的切削性能等。經(jīng)過(guò)熱處理后的零件要求變形量少，無(wú)裂紋和盡量減少殘余內(nèi)應(yīng)力的存在。目前壓鑄模一般采用真空氣體淬火，表面沒(méi)有氧化物，模具變形小，更好保證模具質(zhì)量，其流程為鍛造_球化退火_粗加工一穩(wěn)定化處理_精加工_最終熱處理(淬火、回火)_鉗修_拋光_+滲氮(或碳氮共滲)_精磨或精研_裝配。對(duì)H13鋼采用高溫淬火、雙重淬火、控制冷卻速度淬火、深冷處理等，從而改善模具性能，提高模具壽命。
5、壓鑄模表面強(qiáng)化處理
對(duì)模具進(jìn)行表面處理是延長(zhǎng)模具壽命的最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。通過(guò)調(diào)整一般熱處理工藝改善鋼的強(qiáng)度和韌性。采用不同的表面強(qiáng)化處理工藝，以適宜的心部性能相配合，可賦予模具表面以高硬度、耐磨耐蝕、抗咬合和低摩擦系數(shù)等許多優(yōu)良性能，使模具壽命提高幾倍甚至幾十倍。模具表面強(qiáng)化主要有3類：①不改變表面化學(xué)成分，有激光相變硬化等；②改變表面化學(xué)成分，滲氮等；③表面形成覆蓋層，氣相沉積技術(shù)處理等。
5．1 不改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化
激光強(qiáng)化處理：激光作為熱源對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化，有相變硬化、表面溶化、表面涂覆等。其特征是供給材料表面功率密度至少103VC/em2。利用高功率、高密度激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法稱為激光面熱處理。其分為激光相變硬化、激光表面合金化等表面改性，產(chǎn)生其他表面加熱淬火強(qiáng)化達(dá)不到的表面成分、組織及性能的改變。
激光熔覆技術(shù)模具表面覆蓋一層薄的具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。H13鋼常規(guī)處理后硬度44HRC，經(jīng)激光淬火，表面硬度可達(dá)772HV(相當(dāng)于62HRC)，淬硬層深度0．63ram。由于得到以超細(xì)化高密度位錯(cuò)性馬氏體為主的組織，以及激光加熱后自回火過(guò)程中析出彌散碳化物，使得淬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高。激光熔覆技術(shù)以其加工精度高，熱變形小，后加工量小等特點(diǎn)具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
電火花表面強(qiáng)化：電火花表面強(qiáng)化是利用電極與工件間在氣體中產(chǎn)生的火花放電作用，把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)工件表層，形成合金化表面強(qiáng)化層，常用的電極材料有TiC、WC、ZrC和硬質(zhì)合金等，因電極材料的沉積發(fā)生有規(guī)律的、較小的長(zhǎng)大，改善工件的表面物理及化學(xué)性能。如硬質(zhì)合金做電極強(qiáng)化工件，表面硬度可達(dá)1，100～1，400HV，強(qiáng)化層與基體結(jié)合牢固嗍。
5．2改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化
(1)滲碳。
滲碳是把鋼置于滲碳介質(zhì)中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時(shí)間，使碳原子滲入鋼表面的表面化學(xué)熱處理工藝。滲碳在At3以上(850℃一950℃)進(jìn)行。其目的使模具的表面在熱處理后碳濃度提高，從而使表層的硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度較心部有較大的提高，而心部保持一定強(qiáng)度和較高的韌性。有固體滲碳和液體滲碳。
(2)滲氮。
滲氮在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞極限、熱硬性及抗咬合性等。一般壓鑄模經(jīng)淬火、回火(45～47HRC)后，必須進(jìn)行滲氮，氮化層深度為0．15～0．2mm。有氣體滲氮，離子滲氮。H13鋼作擠壓鋁型材的空心模，經(jīng)1，080℃油淬+560％：x2h兩次回火，硬度48HRC。經(jīng)過(guò)520℃x4h的離子滲氮，模具擠壓的型材從1,000kg提高4,500kg，壽命提高了3倍。
(3)N—C共滲(軟氮化)。
軟氮化實(shí)質(zhì)是在較低溫下進(jìn)行的以滲氮為主的碳氮共滲。經(jīng)軟氮化處理后，可顯著提高表面的疲勞強(qiáng)度及耐磨性、抗咬合、抗擦傷和腐蝕等性能“01。
(4)表面滲鋁
滲鋁指鋁在金屬或合金表面擴(kuò)散滲入的過(guò)程。滲鋁目的是提高材料的熱穩(wěn)定性、耐磨性和耐蝕性。對(duì)模具表面進(jìn)行先滲鋁后氧化的方法，使表面生成Fe—A1—0的混合物，以減少粘模的發(fā)生，從而延長(zhǎng)模具的壽命。常用滲鋁有3種：固體粉末滲鋁、熱浸鍍鋁、表面噴鍍鋁再擴(kuò)散退火。
(5)模具滲鉻
滲鉻可提高型腔表明硬度(1,300HV以上)、耐磨性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和抗高溫氧化性。對(duì)承受強(qiáng)烈磨損的模具，可顯著提高使用壽命。滲鉻時(shí)，加熱到950℃～1，100℃，保溫5h～10h即可形成一層結(jié)合牢固的滲鉻層。滲鉻層厚度一般較小，不影響模具型腔的尺寸。如對(duì)壓鑄件的一般形狀及尺寸來(lái)說(shuō)，鋁合金壓鑄模3Cr2W8V，經(jīng)滲鉻后的使用壽命可提高10倍左右。
5．3 表面形成覆蓋層強(qiáng)化
氣相沉積技術(shù)：氣相沉積技術(shù)是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過(guò)程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(超硬耐磨或特殊的光學(xué)、電學(xué)性能)的金屬或化合物涂層的新技術(shù)。
化學(xué)氣相沉積(CVD)的沉積物由引入高溫沉積區(qū)的氣體離解所產(chǎn)生。CVD處理的模具形狀不受限制，可在含碳量大于0．8％的工具鋼、滲碳鋼、高速鋼、鑄鐵以及硬質(zhì)合金等表面上進(jìn)行。在模具上涂覆TiC、TiN覆層的工藝，其覆層硬度高達(dá)3,000HV，使模具耐磨性和抗摩擦性能提高。CVD處理后還需要進(jìn)行淬火回火。采用TiC、TiN的復(fù)合涂層，使模具壽命成倍提高。
物理氣相沉積(PVD)鍍鈦加工采用納米涂層的新技術(shù)，在模具表面沉積多層多元素金屬薄膜(膜層厚度為l～71a,m)，這層膜具有耐磨損、抗腐蝕，高硬度的功能，由于這層膜不與鋁、鋅等金屬溶液親和或發(fā)生反應(yīng)，能極大地改善壓鑄件的離模性能而不發(fā)生粘?，F(xiàn)象。在改善液體金屬粘模和熱龜裂方面取得最佳效果，有效解決壓鑄模具碰到的問(wèn)題，以獲得最優(yōu)的綜合使用性能，解決了傳統(tǒng)工藝所無(wú)法解決的問(wèn)題。
6、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及壓鑄工藝
減少模具上尖角、拐角的地方，合理使用材料，規(guī)范加工和熱處理工藝。模具的氮化處理要控制模具的表面硬度HV，>600，氮化層深度達(dá)到0．12～0．2mm。正確的預(yù)熱模具，優(yōu)化模具以改進(jìn)內(nèi)部冷卻，使模具獲得均勻熱平衡效果，使模具維護(hù)穩(wěn)定較低的溫度，合理噴涂涂層，涂層對(duì)延緩熱疲勞裂紋有重要意義，提高模具壽命和效益。
模具壓力加工是機(jī)械制造的重要組成部分，而模具的水平、質(zhì)量和壽命則與模具表面強(qiáng)化技術(shù)息息相關(guān)。壓鑄模的工作條件極為復(fù)雜和惡劣，影響模具失效的主要是熱疲勞。我國(guó)鋁壓鑄模技術(shù)有了一定的發(fā)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距很大，其中模具壽命尤為突出。國(guó)外可達(dá)到8～15萬(wàn)模次，國(guó)產(chǎn)模具壽命一般在4—8萬(wàn)件之間，平均6萬(wàn)件，模具壽命短，直接導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降和產(chǎn)品成本的提高。模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平是衡量國(guó)家工業(yè)水平及鑄件開發(fā)能力的標(biāo)志，從而采用延長(zhǎng)壓鑄模使用壽命地最佳措施，這將對(duì)降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要地現(xiàn)實(shí)意義。
