摘 要：針對普遍存在的壓鑄模容易老化、壽命較短的特點，指出選用優良的鋼材制作是保證壓鑄模壽命的基本條件。合理設計鑄件及壓鑄模、確保模具的加工質量、規范的熱處理工藝、模具表面強化處理以及壓鑄模使用過程中規范的操作能延長壓鑄模壽命。我公司的壓鑄模長期使用這些方法后的統計結果表明：國產H13鋼壓鑄模具使用壽命可從8萬模次延長至12萬模次左右，經濟效益顯著。
關鍵詞：壓鑄模；模具鋼；設計；加工；熱處理；表面強化
0 引言
如何延長壓鑄模壽命一直是模具制造商和訂貨方最關注的問題。國外對模具經濟效益分析的“冰山成本”如圖１所示，模具的材料只占模具總成本的10%左右，但是選用優質模具鋼來提高壓鑄模的使用壽命所產生的效益是非常顯著的。近年來，合理的選擇壓鑄模成形零件的材料逐漸得到廣泛重視，另外對壓鑄模進行規范的熱處理以及去應力保養、維護，注重使用過程中的操作規范等都對延長壓鑄模使用壽命有重要意義。
選用優良的鋼材進行制作是保證壓鑄模壽命的基本條件。自20世紀50年代起，國內普遍采用原蘇聯引進的3CR2W8V熱作模具鋼，一般壓鑄1～2萬模次型腔開始出現發絲狀裂紋，壓鑄模壽命為5萬模次左右。90年代從美國引進優良鋼種H13（4CR5MOSIV1），使用該鋼制作模具加之嚴格的熱處理工藝，所生產的壓鑄模使用壽命可達15～20萬模次，是目前應用廣泛的壓鑄模制作鋼材。在以該鋼種為基體的基礎上延伸出多種近似鋼號，如：國際標準化組織（ISO）的40CRMOV5；日本（JIS）的SKD61；韓國（KS）的STD61；德國（DIN）的X40CRMOV5－1；英國（BS）的BH13；俄羅斯的4X5MФ1C及一些商業牌號8407，QR90，GS－344M等。
H13鋼是一種強硬兼有的空冷硬化型熱作模具鋼，主要特征如下：
（1）具有較高的淬透性和韌性；
（2）優良的抗熱裂能力，在工作場合可直接水冷；
（3）具有中等耐磨性，可采用滲碳或滲氮工藝來 提高其表面硬度，但會略微降低抗熱裂性能；
（4）因其含碳量較低，回火時二次硬化性能較差；
（5）在較高溫度下具有抗軟化能力（熱硬性），但 使 用 溫 度 高 于540℃時 硬 度 會 迅速下降；
（6）熱處理過程中穩定性好，變形小；
（7）良好的切削加工性；
（8）中等抗脫碳能力。
H13鋼的含碳量（質量分數）在0.5%以下，另含CR、W、MO、V等合金元素，鋼中含cr量為5.0%左右，它與其他碳化物形成的組織使鋼材具有較高的淬透性和熱硬性。因此，該鋼在空冷條件下能夠淬硬，其最大淬火硬度在55HRC左右。
2 合理設計鑄件及壓鑄模
鑄件結構設計上的不合理，導致模具中存在細薄的截面（見圖2）以及鑄件壁厚不均勻（見圖3），往往造成模具早期裂紋。斜度值設計得不合理會引起抽芯、開模后取件時的擦傷。型腔壁面交界處的倒角偏小會造成應力集中裂紋。在澆注系統的設計中，如流向、截面積、壓射速度等控制不當，會造成對型腔或型芯的沖蝕。由于過于注重控制成本節約鋼材，造成模具剛性不足，導致模具構件早期變形或斷裂的情況也時有發生。因裝配尺寸過緊，容易形成較大的預應力，在壓鑄生產過程中模具出現爆裂（見圖4）。模具制造過程中各構件配合精度等級選擇不當，壓鑄時鋁液進入其中，使模具過早失去應有的精度。
在壓鑄模設計中，盡可能地減少鑲拼，可以顯著增強型腔整體的剛度。考慮到壓鑄模工作狀況復雜惡劣，確保模具工作狀態的熱平衡非常重要。為了使模具的工作溫度穩定，需要在動、定模上分別設計合理的冷卻系統（見圖5、圖6）。在同一個生產周期內模具溫度也經歷驟升、驟降的變化，由于鑄件壁厚存在差別，平衡溫度一般控制在合金澆注溫度的35%～45%。
3 確保模具加工質量
模具在磨削過程中產生的摩擦熱，會引起表面出現磨削裂紋。此外由于磨削應力的存在，也會降低模具的抗熱疲勞能力。型腔表面，特別是澆道表面粗糙處或型面有少量擦傷及劃線痕跡處，都是潛在的裂紋源。在使用電火花機床進行精加工過程中，由于局部高溫形成表層下的回火區，該區的組織及化學成分與基體不同，硬度高，加上表面殘余應力的存在，拋光處理不到位就可能在模具使用早期形成細微裂紋（見圖7）。模具與壓鑄機之間的安裝精度，包括平行度和垂直度，皆可能引起導向件的異常磨損或頂出困難，影響鑄件外觀（見圖8）的同時造成壓鑄模的損傷。
壓鑄模具的材料應具有較高的熱強性和回火穩定性，這樣才有可能獲得高的熱疲勞抗力和耐磨性。另外由于模具精度和復雜程度的不同，在熱處理工藝規程安排上，淬火工序放在第一次去應力退火后可通過后續加工消除淬火變形及裂紋（見圖9、圖10）。
5 模具表面強化處理
表面強化處理是對材料表面施加極高的能量，使其發生物理—化學變化，以達到強化的目的。其主要特點是：工序簡單，過程迅速，零件變形小，生產效率高。其中采用電火花表面強化工藝是一項減少表面沖蝕、防止金屬與模面咬合、延長使用壽命的有效途徑之一。表面強化處理過程中通過脈沖電路放電，使連接電路的正、負（金屬工件）極做周期性的接觸，引起氣隙放電，形成火花與高溫。在高溫作用下，升華后的正極材料在工件表面完成重熔、沉積、擴散、化合及淬硬的過程，使被涂覆的工件表面形成一層成分均勻、結構致密并且硬度高的沉積層。沉積層與基體結合牢固、耐沖擊、不易剝落，并且由于強化處理時工件處于冷態，放電點小，時間短，無退火及變形。我公司通過將２套經表面強化處理的模具與普通模具進行對比，無論在耐蝕性、耐熱性還是耐磨性方面都表現出較好使用效果和較長的使用壽命，可延長模具使用壽命約1-2萬模次。
6 壓鑄模操作規范
6.1模具預熱及保持熱平衡
模具中應力的大小與模具中的溫度梯度成正比，因此適當提高預熱溫度是非常有必要的。但是過高的預熱溫度使型腔表面材料的屈服強度降低，對模具抗熱疲勞性能不利。此外模具在生產過程中，保持熱平衡狀態是延長模具壽命、提高生產效率和保障鑄件致密性的重要手段。對于冷卻水的使用必須是連續的，禁止在生產過程中突然打開或關閉冷卻水。在操作過程中的節奏性和連續性，都可為保持模具最佳熱平衡狀態創造條件。
6.2模具涂料使用
涂料的使用對保護模具材料起到重要的作用。涂料未能均勻涂覆的地方往往就是侵蝕最嚴重的地方。涂料在噴涂到高溫模腔中時，會產生很高的蒸汽壓力，引起脫離和濺落，不易吸附于型面上充分潤濕型面。最佳方案就是提高噴涂壓力，使噴涂時液滴得到較高的動能，克服液滴的凝聚現象，到達均勻涂覆型面的目的。
6.3模具檢修保養
定期對使用過程中的模具進行檢修保養至關重要，在生產過程中由于支撐板、套板、抽芯機構、推出機構等的變形，以及緊固螺栓的松動都是導致模具早期破壞的重要原因。
6.4壓鑄模的安裝與使用操作規范
（1）壓鑄模在使用前，首先閱讀模具資料中附帶的說明書和注意事項，了解模具的基本結構，尤其是模具上各個滑塊的運動次序。
（2）新模具打開動、定模，擦凈模具上的污物及銹蝕，檢查型腔內壁有無拋光不徹底的地方；檢查模具活動部分，如：滑塊、推桿、復位桿等位置是否準確、有無傾斜現象，固定的零件有無相對竄動；檢查型面、型芯、導柱、斜導柱和油缸等，不應有碰傷、凹痕、裂紋等缺陷。
（3）接入冷卻水，檢查冷卻水管路是否暢通，有無滲漏現象；檢查油缸與滑塊連接處（見圖11）是否安裝正確，結構可靠，動作靈活。
（5）拆卸模具上活動部分或小型芯時，只允許使用軟的銅、鋁、鉛棒或橡皮榔頭輕輕敲擊，避免損傷模腔。
（6）模具長期不使用時，應清理模具上各處附著的鋁皮，擦洗干凈表面，零部件上涂覆防銹油。
（7）壓鑄至一定模次后，定期對模具進行去應力處理。
7 結論
在延長壓鑄模壽命的所有因素中，選擇優質的制作材料是基礎，規范的熱處理是關鍵，使用過程中及時有效地維護、保養是主要途徑。通過控制影響壓鑄模壽命的多個因素，可以有效地發揮壓鑄模的性能，避免壓鑄模過早老化，延長壓鑄模壽命。
本文由：山東華盛中天機械集團股份有限公司 高述振提供
