模具粘模问题怎样解决

模具粘模问题怎样解决发布时间：2011-1-18信息来源：作者：国外大中小摘要本文分析了H13钢质模具与铝合金之间的粘模问题。粘模很容易导致压铸停产。粘模是一个非常严重的生产问题。导致粘模的因素很多，包括铝合金的化学成分、压射速度和位置、以及模具表面脱模剂类型等。粘模是通过化学反应和机械粘接共同作用造成的。铝合金与铁在模具中进行融合时，则会产生一种铝合金与模具材料的化学化合物。一旦发生粘模，铝合金压铸与模具就会紧紧地粘接在一起。本文对各种粘模因素进行了说明与分析，包括铝的化学成分、有效质量、压射方向以及与模具的接触角度等。粘模不仅会破坏模具表面的致密层，而且会使模具的H13钢表面直接与注入的铝合金进行接触。可以使用某种固体材料来防止粘模现象，这种固体材料通常包括钼合金、钨合金、钛合金、特种氮化物或低温碳氮化合物。简介铝合金压铸过程中的粘模现象一直是困扰压铸界的一个难题。粘模是压铸过程中模具与金属液之间的化学反应。粘模会导致压铸缺陷，在压铸过程中，铝合金熔液会粘到模具上。图1为粘模的举例说明。当铝合金熔液进入模具直接与模具型腔接触时，则可能导致这种现象的发生。进入型腔的铝合金熔液会破坏模具表面的致密层，并将引起一系列化学反应，从而形成一种化合物。为了避免发生这种粘模现象，需要注意压铸过程中的几个问题。因此，本文除了解释在压铸过程中形成粘模的原理之外，还提出了防止发生粘模的预防措施。模具的钢材通常采用H13钢，并且对钢材进行淬火、回火热处理，使钢材硬度达到46-50HRC。常规情况下，H13钢材的机械特性不仅可以满足对耐热疲劳性要求，而且还具有一定的热稳定性。图1粘模说明本文仅对粘模进行了分析，关于压铸件的表面缺陷形成原因及有关解决方案，请参见北美压铸学会出版的刊物#517，作者WilliamWalkington撰写的论文《铸件表面缺陷的纠正措施》。为了有效地解决粘模问题，必须对如下内容进行严格控制：1：由于铝合金对铁有很强亲和力，因此首先需要对铝合金进行分析。若铝合金中铁的含量过低（大约0.8-0.9%），该种铝合金则很容易与H13模具发生粘模现象。2：压铸温度过高，则会导致粘模现象，需要对压铸温度进行严格控制，。3：为了阻止粘模形成，应使用性能较好的脱模剂。4：当压射金属液与模具表面之间的接触角度接近180度时，最容易发生粘模。设计时应该避免接触角接近180度，以减少粘模发生的可能性。5：应使用熔点较高的特种材料对模具进行表面处理，以避免发生粘模，如钼基合金。这种合金可以与铁混合，并且可以粘合在模具表面发生粘模的位置上；可以在粘模位置使用各种防止粘模发生的材料对模具表面进行处理，如金属钨；采用物理方式（PVD）对模具进行表面处理，可以有效地防止粘模发生，如CrN+W、ON、(TiAl)N以及CrC。粘模理论粘模理论是基于金属学、化学和机械学的一门综合性理论。图2是粘模表面的图片。表面有许多凹坑或者小洞。这些凹坑或小洞布满了整个表面，并且使得表面变得粗糙。通常这些小凹坑或者小洞的直径大约为0.6pm，并且很容易发展成直径为3.6pm左右的小凹坑。随着形成粘模倾向的增强，这些小凹坑的直径可以达到15微米，并且还有可能发生机械粘接。图3显示的是对微裂纹的分析，以及铝进入这些裂纹区域的方式。通过对铝进入裂纹区域的描述，说明了机械粘接。图（b）是铝的X光照片，它说明了铝是如何在表面形成的，并且是如何进入到裂纹中，并且最终在模具表面形成了粘模区。根据麦克斯韦-玻尔茨曼定律，可以计算出原子的摩尔量百分比：在该等式中，△U表示相互反应的活化能常数。模具与铸件之间的接触与f成正比，并且两者之间的关系为：当的比率等于一个给定位置的单数时，则：T0表示临界温度，接近该温度时，模具则会与铸件完全粘接。因此：当金属液高速进入模具型腔时，铝金属液的温度将会稍有升高。金属液与模具表面之间的角度是相当重要的，并且金属液的温度升高可以通过下式得到：表示铝金属液的比热。对于一个给定的模具来说，内浇口面积是固定的。压射速度与金属液压射压力之间的关系由下面的公式表示：表示压射压力，表示铝的密度。在冷室压铸工艺中，通常接近0.8。模具与铸件之间的接触面温度为：根据上述公式，由下式得出：、分别表示金属液和模具的温度，、分别表示累积热系数。接触面的温度变化可以通过下式计算出来：结合上面的等式，可以由下式求得：结果形成两种固体之间的相互粘接，分开这两种固体所需的能量与它们的强度有关。如下因素会直接影响到粘接强度，如：铝合金与铁之间的有效温度。需要注意的是，铝钼之间的活化能较高，因此在模具表面使用钼渗入可以有效地提高抗粘模性能。同时还必须注意，压射压力对粘模也有影响。高的压射压力使得粘模更容易发生。另外，还必须注意得是，压射角是非常重要的，并且该角度越接近180度，发生粘模的可能性就更大。同时还指出，模具表面越粗糙，发生粘模的可能性也就越大。粘模形成机理以及外观当模具的温度变得很高，致使铝合金和模具发生反应，并且在接触面的化合物变为铝铁混合物时，就要发生粘模现象。如图4所示。图2粘模的外观以及产生裂纹的区域的尺寸随着粘模量的增加，在模具表面上的累积物也将增加。粘模会使铸件粘接在模具上，并且很难将铸件从模具上分离下来。很明显，粘模会直接影响到压铸质量。这种现象很难彻底根除，通常需要将模具浸泡在温度为130华氏度（54.4摄氏度）、浓度为20%的氢氧化钠溶液中进行处理。形成粘模的条件在图2中进行了描述。应对发生粘模的区域进行特殊处理。常用措施是在模具的这个区域添加一种具有抗粘模性的化学物质，其中一种物质是钨基化合物或者钼基化合物。这两种材料中钨或者钼的含量都很高，均可以使熔化温度升高，可以有效地避免铝合金的界面效应。图3铝液进入了由于粘模所生的空隙和裂纹图2对粘模现象进行了描述，主要是指铝合金与模具之间的接触面。首先将表面的润滑剂清除掉，铝液与铁则会反应生成一种化合物。清除后的结果表明，第一层中铁的含量要高些，并且3.4%的铬来自压铸合金及铝化锌。下一层金属合金的铝含量为55-60%、铁含量为14-25%。最后一层为64%的铝、28%的硅、最多2%的铁、若铸件的铝合金中含有铜，可能还有一定的铜含量。粘模模具的表面形状图2也描述了发生铝合金粘模的模具表面形状。图片左侧的粘模显示了模具表面小凹坑的形成机理。这些小凹坑的最初直径为0.6微米，最后慢慢地发展成为直径达3.6微米的小凹坑。当粘模加重之后，这些小凹坑也随之逐渐变大，并且慢慢形成直径大于15微米的小坑，最终形成裂纹。这些小凹坑和裂纹最后都充满了铝，如图3所示。该图和图2共同说明了影响钢材性能和造成粘模的化学及机械机理。需要注意的是铝液充满了裂纹。这从铝的X光照片中可以看出来。有关化学和物理反应的更详细的信息显示在图5中。图4粘模表面图5该区域说明了空隙如何形成以及在空隙表面与铝反应的情况.模具材料及渗氮处理对粘模的效果为防止粘模发生，人们进行了大量的工作，包括使用各种不同的模具材料以及对模具表面进行各种方式的处理等。表面处理的致密层效果很好，但是如何去除这些致密层却成了一个大问题，并且去除这些致密层也需要花大量的精力和时间。为了评估用来减少粘模的模具材料或者模具致密层，人们采用了一种专用测试棒。表1列出了材料类型和表面处理方法。表2列出了测试棒的评估参数。表1用于评估抗粘模性的材料和致密层金属材料H13,Mo758,Ti6Ai4V,Anviloy1150,Cu-Be.渗氮处理50um.80um.100um，180um物理气相沉淀处理CrN+W,CrN,(TiAl)N,CrC表2用来评估材料和致密层的参数粘模1.在销表面上的粘模的铝的质量2.发生了粘模的销的表面百分比清洗在一定压射后的质量损失图6描述了测试棒的布置和内浇口系统。测试样件的尺寸是以毫米为单位表示的。380铝金属液以700英寸每秒（182.88米每秒）的压射速度对测试棒进行测试，2个测试样件，大约压射了6磅铝合金，温度为1350°F。将测试样件放置在容器中心位置，测试棒周围的金属液凝固后将测试样件取出。测试后，测量样件的重量，并且通过测量去除粘模金属前后的重量来计算出粘模金属。发生粘模的铝合金可以浸泡在130华氏（54.4摄氏度）度，浓度20%的氢氧化钠溶液中，浸泡一定时间之可则可以自动去除。有关该试验更详细的信息请参见图7。测试棒的位置测试棒铸件料饼横浇道内浇口图6测试棒，测试棒的位置以及铸件设计内浇口测试棒模具型腔压射冲头压射熔杯图7测试棒试验原理示意图模具材质对粘模的影响图9是一个粘模的截面原理示意图（图8描述了测试情况。用铝金属液填充一个较大的型腔。应按照本图所示，经常对测试件进行试验）。图9描述了对H13、Mo-785、Ti-6Al-4V和Anvilloy1150（钨基合金）的试验情况。测试结果将显示铝粘接前后的情况。所有的结果显示在图10中。从图10中可以看出，测试棒的材质比Anvilloy1150要好。必须注意的是，Ti-6AI-4V材料的导热性较低，耐热疲劳性很差，因此不能使用该种材料。压模型腔内浇口测试棒活塞测试样件PG.H13控制压射熔杯图8粘模测试布置的示意图(a)附着有粘模lb)去除粘模后图9压射50次后带有粘模铝合金和没有粘模铝合金的测试棒的外观比较压射次数图10测试棒材料对粘模的影响更详细的有关铝合金压铸的粘模的信息显示在图11中，放大倍数分别为2000倍和5000倍。该图显示了在发生了粘模的铝和这些材料之间接触面的情况。图12显示了这些材料对在加速处理过程中金属材料的冲蚀或流失的影响。该图阐明了当金属冲蚀或流失受到加速喷射影响时所发生的情况。对钼合金、钛合金以及钨基合金来说，在操作过程中损失的金属量是非常少的。然而，由于钛合金的导热性很差，这种合金的耐热疲劳性不是很好。物理气相沉积致密层对粘模的效果图11压射30次后模具和发生了粘模的380铝之间的接触压射次数图12-测试棒材料对冲蚀的影响图13很清楚地显示了H13（4Cr5MoV1Si）模具钢上的PVD（物理气相沉积）致密层对粘模和冲蚀作用的影响。柱形图中列出的所有致密层材料都显示出相当好的抗压射流加速冲击的能力。很显然的是，在所有的材料中CrC（碳铬合金）致密层的效果最好。但不幸的是，图14中显示的CrC致密层出现了凹陷问题。图14图示说明了CrC致密层表面在测试前和测试后受损的情况，致密层上的微孔形成了致密层表面缺陷，并且因为腐蚀的原因，微孔在测试后出现扩大的迹象。如图15所示，在压铸熔液的加速冲蚀下，CrC合金材料的损失量超出其它材料。并且，在凹陷处金属流失严重的情况下，将CrC材料清除却非常困难。1在没有铝合金粘模的情况下，通过称量30次压射冲击前后测试棒的重量来决定测试棒的流失量2分别测量30次压射冲击后含有和不含有铝质粘模的测试棒的质量来测量测试棒表面铝质粘模的重量3采用氢氧化钠清除铝质粘模图13-压射30次后PVD致密层材料对粘模和冲蚀的影响图14-采用CrC物理气相沉积冷却时H13材料测试棒的退化（只有腐蚀的孔）压射次数图15-物理气相沉积致密层材料对冲蚀抵抗率的影响效果渗氮和碳氮共渗处理对粘模和冲蚀的影响图16所示为材料采用渗氮和碳氮共渗强化处理后粘模的效果图。图中列举了应用渗氮处理后铝粘模的量是怎么样得到减少。这些是在工业上常用的在1000华氏温度（约为537.8摄氏度）或稍微低温度下碳氮共渗的处理模式。压射次数图16-碳氮共渗强化处理对抗粘模性的影响效果图17-模具底层与铝粘模之间的交叉截面图图17（右图）显示了铝渗透进未经过碳氮共渗处理的H13模具纲材料中的情况，而左图则展示了经过碳氮共渗处理的H13模具材料具有良好的抗粘模性。图18-经过碳氮共渗处理的致密层的失效模式，铝粘模被NaOH溶液溶解必须注意的是采用渗氮和碳氮共渗处理，在某种程度上会降低材料的耐热疲劳性，原因是在操作过程中氮化层会产生失效。具体的情况如图18所示。氮化层的厚度非常重要，如果氮化层太薄，粘模和冲蚀的抵抗能力的增长将受到限制