中国压铸杂志

国内外压铸冲头的研究现状及发展

作者:admin 来源:原创 发表时间:2017-09-04
 
文:吉林大学工程仿生教育部重点实验室  马云海
 
 
摘要  综述了压铸冲头的制造材料及其热处理工艺,介绍了4种高强度模具钢材料和3种热处理工艺。阐释了对压铸冲头进行表面渗氮、激光表面处理、表面气相沉积强化的表面处理工艺。分析了压铸冲头结构设计方面的改进研究现状。探讨了仿生技术在压铸冲头中的应用及前景。对压铸冲头材料和结构的发展方向进行了展望。
关键词 压铸冲头;材料;结构;工艺;发展方向
压铸冲头是压铸机和挤压铸造机直接将金属熔液挤入模具成形的部件。压铸模具成形与其他加工方法相比具有很多优点,其制件具有高精度、高一致性、高出产率、高复杂性和低消耗等优点,是一种精密成形工艺。
伴随着全球环境污染的严峻形势,车辆、农用机械和电机等产品都向着轻量化方向发展。为了节约成本、减少对环境的污染,对压铸模具的寿命和复杂程度提出越来越高的要求。
压铸具有生产效率高、工序简单、铸件公差等级高、表面粗糙度低、力学性能好等优点,在汽车、家电、通讯等行业得到了广泛应用。压铸冲头的质量和使用寿命将直接 影响压铸生产的效率与成本。
对于常用的卧式冷室压铸机而言,压铸冲头的功能主要是将浇入熔杯(又称熔缸、压室)内的金属液压射到压铸模型腔。由于压铸冲头和熔杯是一对耦合件,其配合间隙要求最大间隙为0.1mm,如果间隙太小,则使压铸冲头与熔杯互卡,若间隙太大,则使金属液飞溅,影响铸造效果。若想获得优质铸件,必须使压铸冲头在熔杯里平稳顺畅推动液体金属进入压铸模型腔,这对压铸冲头提出特殊的要求。因此,研究提高压铸机冲头的使用寿命,对降低生产成本、节约资源,有着积极的意义。
1 压铸冲头材料及其热处理工艺
研究者在提高压铸冲头耐磨性方面做了很多工作,如一些高性能耐磨材料不断被研制出来,耐磨材料新技术、新工艺和结构优化后的新产品也在不断地得到开发和应用。
除了研究与开发高性能压铸模使用材料外,表面改性也是提高热作模具钢的质量、改善模具使用性能和延长模具寿命的一种重要方法。常用的表面强化技术有:喷涂、沉积、
镀层、化学热处理和激光等,目前主要应用这些强化技术对压铸冲头的表面进行工艺处理。
1.1 冲头材料
1.1.1 珠光体球墨铸铁
常用的压铸冲头材料为珠光体球墨铸铁、普通中碳钢。珠光体球墨铸铁的化学成分见表1,其硬度(HRC)为20~28。此种材料虽然具有一定的耐磨性,但在实际压铸过程中,由于承受连续不断的高温冲击作用,使其耐磨性、抗疲劳性以及强度下降,导致损坏失效。
 

 
1.1.2 H13钢
H13钢是 C-Cr-Mo-Si-V 型钢。在 H13钢为基础上,降低 Cr含量,增加 Mo含量,加入 V 元素,即保持合金元素总量,降低 Cr含量,提高
W、Mo、V、Nb元素等含量,从 而 提 高 其 热 强 性。HM1(3Cr3Mo3W2V)、CH75(4Cr3Mo2VSi)、TM(4Cr3Mo2WMnVNb)及 HD(4Cr3Mo2VNiNbB)等均属于这一类钢材。
1.1.3 奥氏体热作模具钢
奥氏体热作模具钢是为满足高温耐蚀、抗氧化的要求而发展起来的,当工作温度在
700~800℃之间时,可使用奥氏体热作模具钢。此类钢含有较多的合金元素,无论高温还是常温下均为奥氏体,在700 ℃时高温固溶处理后,将会析出 M23C6、M7C3、MC 等碳化物,产生时效硬化效果。由于我国缺 Ni,故研发了低 Ni
奥氏体 热 作 模 具 钢 5Mn15、6Mn14Cr3Mo2V 及 AH 钢等。
国外在高热强模具钢领域新发展的钢有瑞典的QRO90,美 国 的 H10A、H25、H26及日 本 的 QDH、YHD3、YHD26、YHD28、DH76、
5Mn15Ni5Cr8Mo2V2钢等。
1.1.4 铍青铜
铍青铜材料具有良好的高温性能以及耐磨性和导热性,使之应用于冲头,在冲头表面形成的氧化铍具有良好的润滑效果,既提高了冲头的寿命,也保护了压室。鉴于铍青铜材料的诸多优点,国内相关科研院所、企业等对铍青铜做了很多研究。
此材料被国外压铸厂家普遍用来制作冲头,但由于国内铍青铜的生产质量较差,且整体压室在国内没有得到广泛应用,故铍青铜材料未得到大量应用,还处于试验研究阶段。
1.1.5 合金球墨铸铁
合金球墨铸铁材料由于高强度、高硬度和优良的耐磨性能,近年来被应用于压铸冲头,其抗拉强度和硬度(HB)分别达到了920 MPa和280,与传统的压铸冲头相比,寿命得到大幅度提升。
1.2 压铸冲头的表面热处理工艺
对压铸冲头进行表面热处理,可以获得高耐磨性和高抗疲劳性,延长压铸冲头的寿命。
1.2.1 高温淬火工艺
某些中碳合金钢如 H13钢,进行高温淬火处理,能增加淬火材料组织中板条马氏体的相对数量,提高材料的热强性、热疲劳抗性和断裂韧度。在应用中,普通球化退火被高温淬火高温回火代替,然后再进行普通的淬火和回火,这种工艺能在几乎不降低冲击韧度的前提下得到最大的断裂韧度,硬度也高于普通热处理。
1.2.2 强烈淬火技术
强烈淬火是采用高压喷淬或高速搅拌使试件在马氏体转变区域进行快速而均匀的冷却的技术,在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳,避免常规淬火在马氏体转变区域进行快速冷却产生畸变过大和开裂的问题。强烈淬火技术的优点如下:① 与油淬的零件相比使用寿命提高3~4倍;②用低成本的碳钢或低合金钢替代合金钢或高合金钢;③用水或水溶性介质替代油;④工艺非常稳定,易于实现自动化生产。
虽然强烈淬火的冷却速度极快,但可避免开裂,减少畸变,并可显著提高钢的力学性能,延长零件使用寿命,且还有节能、高效、环保等优点,是一种应用前景广阔的热处理技术。
1.2.3 超深冷处理
超深冷处理是常规热处理的延伸,指以液氮为制冷剂对材料在 -190~ -230 ℃ 的环境下进行处理的方法。
由于奥氏体在低温环境下易分解,使材料缺陷(如微孔、内应力集中区域等)产生塑性流动而形成组织细化,因此将金属置于超低温环境下,材料的部分奥氏体会转化成马氏体,内应力因而消除。在超低温时由于组织体积收缩,铁晶格常数缩小而加强碳原子析出的驱动力,于是马氏体的基体析出大量超微细碳化物,这些超微细结晶体会使物料的强度提高,同时改善耐磨性与韧性。
近些年来,国内外已对超深冷处理进行了广泛的研究,并在模具钢上得到应用,处理过的模具钢使用寿命得到明显提高。但是由于此种技术对某些材料的作用机理及工艺稳定性方面的研究不够深入,致使超深冷处理未能在工业上获得广泛应用。
2 压铸冲头的表面处理
2.1 表面渗氮
传统的渗氮处理是把工件放入密封容器中,通以流动的氮气并加热,保温较长时间后,氮气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面,并扩散渗入工件表层内,从而改变表层的化学成分和组织,获得优良的表面性能。尽管盐浴渗氮、气体渗氮等传统表面渗氮工艺已经在工业上取得了较好的应用,但是由于这些工艺所使用的材料往往具有毒性、易爆炸,在实际应用中会对操作人员及环境带来危害,从而限制了这些工艺的应用。
目前等离子渗氮是渗氮研究的重点,等离子渗氮技术处理的部件表面具有韧性和挠性,处理后的工件不需进行表面精加工,与传统渗氮工艺相比,该工艺时间短且温度低
,减少了变形且有益于环保。等离子渗氮还可以避免复合层的形成以及控制扩散层的质量。
2.2 激光表面处理
激光表面处理工艺主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击3类。激光熔融又包括激光表面熔融、激光表面合金化。目前对压铸冲头激光表面处理的研究主要有:①激光表面融合Ni、Cr等元素,在压铸冲头圆柱侧面形成硬度高、耐磨损性能好的合金化区域,见图1;②激光熔覆技术,激光熔敷层的材料为 Fe基、Ni基、Co
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