[科普中國]-壓鑄模具

壓鑄模具是鑄造液態(tài)模鍛的一種方法， 一種在專用的壓鑄模鍛機上完成的工藝。它的基本工藝過程是：金屬液先低速或高速鑄造充型進模具的型腔內，模具有活動的型腔面，它隨著金屬液的冷卻過程加壓鍛造，既消除毛坯的縮孔縮松缺陷，也使毛坯的內部組織達到鍛態(tài)的破碎晶粒。毛坯的綜合機械性能得到顯著的提高。

簡介壓鑄材料、壓鑄機、模具是壓鑄生產(chǎn)的三大要素，缺一不可。所謂壓鑄工藝就是將這三大要素有機地加以綜合運用，使能穩(wěn)定地有節(jié)奏地和高效地生產(chǎn)出外觀、內在質量好的、尺寸符合圖樣或協(xié)議規(guī)定要求的合格鑄件，甚至優(yōu)質鑄件的過程1。

常見材質壓鑄件所采用的合金主要是有色合金，至于黑色金屬（鋼、鐵等）由于模具材料等問題，較少使用。而有色合金壓鑄件中又以鋁合金使用較廣泛，鋅合金次之。 下面簡單介紹一下壓鑄有色金屬的情況。

（1）、壓鑄有色合金的分類 受阻收縮 混合收縮 自由收縮 鉛合金 -----0.2-0.3% 0.3-0.4% 0.4-0.5% 低熔點合金 錫合金 鋅合金--------0.3-0.4% 0.4-0.6% 0.6-0.8% 鋁硅系--0.3-0.5% 0.5-0.7% 0.7-0.9% 壓鑄有色合金 鋁合金 鋁銅系 鋁鎂系---0.5-0.7% 0.7-0.9% 0.9-1.1% 高熔點合金 鋁鋅系鎂合金----------0.5-0.7% 0.7-0.9% 0.9-1.1% 銅合金（2）、各類壓鑄合金推薦的澆鑄溫度 合金種類 鑄件平均壁厚≤3mm 鑄件平均壁厚>3mm 結構簡單 結構復雜 結構簡單 結構復雜

鋁合金 鋁硅系 610-650℃ 640-680℃ 600-620℃ 610-650℃

鋁銅系 630-660℃ 660-700℃ 600-640℃ 630-660℃

鋁鎂系 640-680℃ 660-700℃ 640-670℃ 650-690℃

鋁鋅系 590-620℃ 620-660℃ 580-620℃ 600-650℃

鋅合金 420-440℃ 430-450℃ 400-420℃ 420-440℃

鎂合金 640-680℃ 660-700℃ 640-670℃ 650-690℃

銅合金 普通黃銅 910-930℃ 940-980℃ 900-930℃ 900-950℃

硅黃銅 900-920℃ 930-970℃ 910-940℃ 910-940℃

* 注：①澆鑄溫度一般以保溫爐的金屬液的溫度來計量。

②鋅合金的澆鑄溫度不能超過450℃，以免晶粒粗大。

設計過程1、按照產(chǎn)品使用的材料類別、產(chǎn)品的形狀和精度等各項指標對該產(chǎn)品進行工藝分析，訂出工藝。

2、確定產(chǎn)品在模具型腔中擺放的位置，進行分型面、排溢系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)的分析和設計。

3、對各個活動的型芯拼裝方式和固定方式進行設計。

4、抽芯距和力的設計。

5、頂出機構的設計。

6、確定壓鑄機，對模架和冷卻系統(tǒng)設計。

7、核對模具和壓鑄機的相關尺寸，繪制模具及各個部件的工藝圖。

8、設計完成1。

常見問題壓鑄模具表面溫度的控制對生產(chǎn)高質量的壓鑄件來說，是非常重要的。不平均或不適當?shù)膲鸿T模具溫度亦會導致鑄件尺寸不穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中頂出鑄件變形，產(chǎn)生熱壓力、粘模、表面凹陷、內縮孔及熱泡等缺陷。模溫差異較大時，對生產(chǎn)周期中的變量，如填充時間、冷卻時間及噴涂時間等產(chǎn)生不同程度的影響。

1)．冷紋：

原因：熔湯前端的溫度太低，相疊時有痕跡

改善方法：

1．檢查壁厚是否太薄(設計或制造) ，較薄的區(qū)域應直接充填

2．檢查形狀是否不易充填;距離太遠、封閉區(qū)域(如鰭片(fin) 、凸起) 、被阻擋區(qū)域、圓角太小等均不易充填．并注意是否有肋點或冷點

3．縮短充填時間，縮短充填時間的方法

4．改變充填模式

5．提高模溫的方法

6．提高熔湯溫度

7．檢查合金成分

8．加大逃氣道可能有用

9．加真空裝置可能有用

2)．裂痕：

原因：

1．收縮應力

2．頂出或整緣時受力裂開

改善方式：

1．加大圓角

2．檢查是否有熱點

3．增壓時間改變(冷室機)

4．增加或縮短合模時間

5．增加拔模角

6．增加頂出銷

7．檢查模具是否有錯位、變形

8．檢查合金成分

3)．氣孔：

原因：

1．空氣夾雜在熔湯中

2．氣體的來源：熔解時、在料管中、在模具中、離型劑

改善方法：

1．適當?shù)穆?/p>

2．檢查流道轉彎是否圓滑，截面積是否漸減

3．檢查逃氣道面積是否夠大，是否有被阻塞，位置是否位於最后充填的地方

4．檢查離型劑是否噴太多，模溫是否太低

5．使用真空

4)．空蝕：

原因：因壓力突然減小，使熔湯中的氣體忽然膨脹，沖擊模具，造成模具損傷

改善方法：

流道截面積勿急遽變化

5)．縮孔：

原因：當金屬由液態(tài)凝固為固態(tài)時所占的空間變小，若無金屬補充便會形成縮孔，通常發(fā)生在較慢凝固處

改善方法：

1．增加壓力

2．改變模具溫度．局部冷卻、噴離型劑、降低模溫、．有時只是改變縮孔位置，而非消縮孔

6)．脫皮：

原因：

1．充填模式不良，造成熔湯重疊

2．模具變形，造成熔湯重疊

3．夾雜氧化層

改善方法：

1．提早切換為高速

2．縮短充填時間

3．改變充填模式，澆口位置，澆口速度

4．檢查模具強度是否足夠

5．檢查銷模裝置是否良好

6．檢查是否夾雜氧化層

7)．波紋：

原因：第一層熔湯在表面急遽冷卻，第二層熔湯流過未能將第一層熔解，卻又有足夠的融合，造成組織不同

改善方法：

1．改善充填模式

2．縮短充填時間

8)．流動不良產(chǎn)生的孔：

原因：熔湯流動太慢、或是太冷、或是充填模式不良，因此在凝固的金屬接合處有孔

改善方法：

1．同改善冷紋方法

2．檢查熔湯溫度是否穩(wěn)定

3．檢查模具溫充是否穩(wěn)定

9)．在分模面的孔：

原因：可能是縮孔或是氣孔

改善方法：

1．若是縮孔，減小澆口厚度或是溢流井進口厚度

2．冷卻澆口

3．若是氣孔，注意排氣或卷氣問題

10)．毛邊：

原因：

1．鎖模力不足

2．模具合模不良

3．模具強度不足

4．熔湯溫度太高

11)．縮陷：

原因：縮孔發(fā)生在壓件表面下面

改善方法：

1．同改善縮孔的方法

2．局部冷卻

3．加熱另一邊

12)．積碳：

原因：離型劑或其他雜質積附在模具上．

改善方法：

1．減小離型劑噴灑量

2．升高模溫

3．選擇適合的離型劑

4．使用軟水稀釋離型劑

13)．冒泡：

原因：氣體卷在鑄件的表面下面

改善方式：

1．減少卷氣(同氣孔)

2．冷卻或防低模溫

14)．粘模：

原因：

1．鋅積附在模具表面

2．熔湯沖擊模具，造成模面損壞

改善方法：

1．降低模具溫度

2．降低劃面粗糙度

3．加大拔模角

4．鍍膜

5．改變充填模式

6．降低澆口速度1

最新技術各種壓鑄模具表面處理新技術不斷涌現(xiàn)，但總的來說可以分為以下三個大類：

(1)傳統(tǒng)熱處理工藝的改進技術；

(2)表面改性技術，包括表面熱擴滲處理、表面相變強化、電火花強化技術等；

(3)涂鍍技術，包括化學鍍等。

壓鑄模具是模具中的一個大類。隨著我國汽車摩托車工業(yè)的迅速發(fā)展，壓鑄行業(yè)迎來了發(fā)展的新時期，同時，也對壓鑄模具的綜合力學性能、壽命等提出了更高的要求。國際模協(xié)秘書長羅百輝認為，要滿足不斷提高的使用性能需求僅僅依靠新型模具材料的應用仍然很難滿足，必須將各種表面處理技術應用到壓鑄模具的表面處理當中才能達到對壓鑄模具高效率、高精度和高壽命的要求。在各種模具中，壓鑄模具的工作條件是較為苛刻的。壓力鑄造是使熔融金屬在高壓、高速下充滿模具型腔而壓鑄成型，在工作過程中反復與熾熱金屬接觸，因此要求壓鑄模具有較高的耐熱疲勞、導熱性耐磨性、耐蝕性、沖擊韌性、紅硬性、良好的脫模性等。因此，對壓鑄模具的表面處理技術要求較高。

1、傳統(tǒng)熱處理工藝的改進技術

傳統(tǒng)的壓鑄模具熱處理工藝是淬火-回火，以后又發(fā)展了表面處理技術。由于可作為壓鑄模具的材料多種多樣，同樣的表面處理技術和工藝應用在不同的材料上會產(chǎn)生不同的效果。史可夫提出針對模具基材和表面處理技術的基材預處理技術，在傳統(tǒng)工藝的基礎上，對不同的模具材料提出適合的加工工藝，從而改善模具性能，提高模具壽命。熱處理技術改進的另一個發(fā)展方向，是將傳統(tǒng)的熱處理工藝與先進的表面處理工藝相結合，提高壓鑄模具的使用壽命。如將化學熱處理的方法碳氮共滲，與常規(guī)淬火、回火工藝相結合的NQN(即碳氮共滲-淬火-碳氮共滲復合強化，不但得到較高的表面硬度，而且有效硬化層深度增加、滲層硬度梯度分布合理、回火穩(wěn)定性和耐蝕性提高，從而使得壓鑄模具在獲得良好心部性能的同時，表面質量和性能大幅提高。

2、表面改性技術

表面熱擴滲技術

這一類型中包括有滲碳、滲氮、滲硼以及碳氮共滲、硫碳氮共滲等。

滲碳和碳氮共滲

滲碳工藝應用于冷、熱作和塑料模具表面強化中，都能提高模具壽命。如3Cr2W8V鋼制的壓鑄模具，先滲碳、再經(jīng)1140～1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達HRC56～61，使壓鑄有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8～3.0倍。進行滲碳處理時，主要的工藝方法有固體粉末滲碳、氣體滲碳、以及真空滲碳、離子滲碳和在滲碳氣氛中加入氮元素形成的碳氮共滲等。其中，真空滲碳和離子滲碳則是近20年來發(fā)展起來的技術，該技術具有滲速快、滲層均勻、碳濃度梯度平緩以及工件變形小等特點，將會在模具表面尤其是精密模具表面處理中發(fā)揮越來越重要的作用。

滲氮及有關的低溫熱擴滲技術

這一類型中包括滲氮、離子滲氮、碳氮共滲、氧氮共滲、硫氮共滲以及硫碳氮、氧氮硫三元共滲等方法。這些方法處理工藝簡便、適應性強、擴滲溫度較低一般為480～600℃、工件變形小，尤其適應精密模具的表面強化，而且氮化層硬度高、耐磨性好，有較好的抗粘模性能。

3Cr2W8V鋼壓鑄模具，經(jīng)調質、520～540℃氮化后，使用壽命較不氮化的模具提高2～3倍。美國用H13鋼制作的壓鑄模具，不少都要進行氮化處理，且以滲氮代替一次回火，表面硬度高達HRC65～70，而模具心部硬度較低、韌性好，從而獲得優(yōu)良的綜合力學性能。氮化工藝是壓鑄模具表面處理常用的工藝，但當?shù)瘜映霈F(xiàn)薄而脆的白亮層時，無法抵抗交變熱應力的作用，極易產(chǎn)生微裂紋，降低熱疲勞抗力。因此，在氮化過程中，要嚴格控制工藝，避免脆性層的產(chǎn)生。國外提出采用二次和多次滲氮工藝。采用反復滲氮的辦法可以分解容易在服役過程中產(chǎn)生微裂紋的氮化物白亮層，增加滲氮層厚度，并同時使模具表面存在很厚的殘余應力層，使模具的壽命得以明顯提高。此外還有采用鹽浴碳氮共滲和鹽浴硫氮碳共滲等方法。這些工藝在國外應用較為廣泛，在國內較少見。如TFI+ABI工藝，是在鹽浴氮碳共滲后再于堿性氧化性鹽浴中浸漬。工件表面發(fā)生氧化，呈黑色，其耐磨性、耐蝕性、耐熱性均得到了改善。經(jīng)此方法處理的鋁合金壓鑄模具壽命提高數(shù)百小時。再如法國開發(fā)的硫氮碳共滲后進行氮化處理的oxynit工藝，應用于有色金屬壓鑄模具則更具特點。

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國內壓鑄模具現(xiàn)狀

我國壓鑄模具行業(yè)發(fā)展迅速，總產(chǎn)量增長明顯，國產(chǎn)壓鑄模具總產(chǎn)量僅次于美國，已經(jīng)躍居世界第二位，成為名符其實的壓鑄大國。能有如此成就主要源于我國憑借著得天獨厚的廣闊市場以及相對低廉的資源與勞動力優(yōu)勢，已非常明顯的性價比在國際壓鑄件貿(mào)易市場中占據(jù)著較大優(yōu)勢，很據(jù)形勢來看，未來我國壓鑄行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。

雖然我國的壓鑄模具在“十一五”期間有了重大的突破。但是其國際知名度排位仍然靠后，產(chǎn)量也日益攀升但是大多數(shù)壓鑄模具僅供于國內的需求。由于技術的制約使得質量難以突破，同時國內的一些大型需求企業(yè)也頻頻向國外的壓鑄模具企業(yè)伸出橄欖枝，嚴重的貿(mào)易逆差使得國內壓鑄企業(yè)舉步維艱。

國際壓鑄模具現(xiàn)狀

在國際壓鑄模具市場競爭日趨激烈的情境下，日本壓鑄模具業(yè)也在努力降低生產(chǎn)成本。在市場規(guī)模上，不論產(chǎn)值或國內需求以日本衰退最為明顯。日本模具廠商在技術上較重視拋光與研磨加工制程，德國模具廠商則由提高機械加工與放電加工的精度與效率著手，以降低手工加工的時間。日本壓鑄模具業(yè)正逐漸將技術含量不高的模具轉向人力成本低的地區(qū)生產(chǎn)，只在本國生產(chǎn)技術含量較高的產(chǎn)品，日本這種加快向國外轉移的趨勢，這使日本本國壓鑄模具使用量減少。

影響我國壓鑄模具業(yè)發(fā)展的因素分析

制約我國壓鑄模具行業(yè)發(fā)展的主要原因有：第一，國內壓鑄模具在原材料的使用上面仍有許多不足之處；第二，技術的落后，是我國壓鑄模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了非常大的阻礙；第三，我國壓鑄模具業(yè)的配套體系也不完善。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展新型合金壓鑄模具產(chǎn)品在我國銷售良好，但這種現(xiàn)象并不代表著在全世界銷售都很好，國外市場的需求往往與國內有著不同之處。據(jù)有關專家表示，制約我國壓鑄模具外銷的主要原因有三，第一，國內壓鑄模具在原材料的使用上仍有很多不足之處；第二，技術的落后也是我國壓鑄模具業(yè)發(fā)展的阻礙之一；第三，我國壓鑄模具業(yè)的配套體系也不完善。這些是制約我國壓鑄模具業(yè)發(fā)展的瓶頸所在，我國壓鑄模具業(yè)只有突破了這些瓶頸，在國際市場上的占有率將大有提高。

壓鑄與模具既有區(qū)別又有聯(lián)系，壓鑄模具行業(yè)的誕生就是二者最完美的結合，換句話來說，壓鑄、模具、壓鑄模具是三個不同的行業(yè)，其關系主要以幾個方式存在：壓鑄、模具一體化，模具全部自己制造，也很少給別的企業(yè)做模具；專業(yè)壓鑄模具制造，沒有壓鑄；只有壓鑄，沒有模具制造能力。隨著產(chǎn)業(yè)分工的加劇，產(chǎn)業(yè)界限的逐漸模糊以及產(chǎn)業(yè)交叉的發(fā)展，三個行業(yè)之間應該加強聯(lián)系，互相學習，將三種行業(yè)融為一體，以“一體化”的形式存在，相信后期我國的壓鑄模具產(chǎn)業(yè)將會迎來更多更大的發(fā)展機遇和空間1。

本詞條內容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學