模具知识

提高压铸冲头使用寿命的试验研究摘要：从冲头磨损的机理分析入手．采用45号中碳钢．经渗硼处理，提高表面硬度和韧性，可使其使用寿命在原来的基础上提高6-10倍。压铸冲头所处的工况条件十分恶劣，使用寿命很低。少数工厂采用耐热合金钢冲头，其使用寿命也只有十余个班次。而采用球墨铸铁作为冲头材料其使用寿命则更低。由此因停机而造成的经济损失，仅以一个中等生产规模的压铸单位为例，每年就达数万元，其中尚未计入如材料、工时及电力消耗等损失。本课题所研究的主要目的，从改变原有的冲头材料着手，放弃那些性能不够稳定且又难以及时供应的球墨铸铁，改用来源丰富、质量有保证、价格合理、规格统一的45号中碳钢材料，通过表面强化处理，提高表面硬度和韧性，使其寿命在原来的基础上提高6-10倍，从而取得了良好的经济效益和社会效益。1冲头磨损的机理分析当两种材料的表面相对滑动时，由于材料表面原子之间存在着吸力，在其接触表面会出现粘着现象。当两个表面紧靠且又沿着法向分离或沿切向移动时，原子吸力倾向于将一个表面材料拉向另一个表面，而形成磨屑，其磨损量的大小，可用J.F.Archard公式加以表达：磨损量（磨损体积V)与载荷L及距离X成正比，而与磨损表面硬度P成反比，即：V=KLX／3P（1）式中：K为磨擦系数。K与润滑条件、相配的摩擦金属有关。此外，磨损体积与构成磨擦付材料的不同硬度之间，存在着平方反比关系。如令Vs和Ps分别代表磨擦付中较软材料的磨损体积和表面硬度；Vh和Ph代表较硬材料的磨损体积和表面硬度，则其间的关系，可按下式表达。(VS／Vh)2=(Ph／PS)2(2)从摩擦系数K及公式(2)中得知：为了减少粘着磨损，在选用材料时应注意：1)要求减少磨损的表面应选用硬的材料；2)应选用表面之间相互作用小或不相容的配对材料作摩擦付。因此，我们研究工作的重点放在：为了减少粘着磨损，可以通过提高硬度和改变配对材料的种类并使用润滑剂来解决。2试验条件2．1选择试验用的工件材料的依据工件（冲头）采用了45号中碳钢，此种钢种属于调质钢，最适宜作渗硼处理。其渗硼后的组织表面，可以获得锯齿状的硼化物，与基体结合牢固，耐磨性好，而且还可以通过渗硼后的淬火、回火来提高基体强度。45号中碳钢的淬火温度都在840^860℃范围，与现有的渗硼温度接近，使渗后的工件可以直接淬火，减少加热次数、节约能源、降低成本。2．2试验用的渗剂材料本试验采用固体粉末渗剂，取其操作简单方便，不需添置专用设备，渗后容易与工件分离，便于在生产中推广应用等诸方面的优点。粉末渗剂的主要组成物中计有：碳化硼(B4C），为提供硼原子的主要来源，以氟硼酸钾(KBF4）作为活化剂，可加速催渗过程，以碳化硅(SiC)作为载体（填充剂）。固体粉末渗硼原理属于气态催化反应的气相渗硼。氟硼酸钾是活性很高的成分，在5300C就可分解，到800OC即全部分解，其所分解出来的气态和固态硼化物，都是促进渗硼的重要物质，是提高渗剂活性和参与渗硼化学反应最重要的气体。在渗硼温度下由KBF4热分解所形成的气态BF3的反应式如下：KBF45300CKF+BF3↑BF3在渗硼温度下与B4C中因氧化而形成的B203发生强烈的还原反应而生成低价的次氧化硼（B202)而促进渗硼过程，即：2B203+2BF3=3B202+3F2↑此处的B202是一种极不稳定的氧化物，会按下式分解，形成稳定的B2C3同时释放出活性硼原子：3B203=2B203+2[B]氟硼酸钾热分解生成的BF3可与B4C直接产生下列反应，析出硼原子和低价的BF2:2BF3+B4C=3BF2↑+3[B]+C氟硼酸钾还与B,C在氧的参与下，直接进行下述化学反应而析出硼原子：2KBF4+B4C+02=K20+4BF2↑+2「B〕+CO↑以上两式的反应产物中均有BF2生成，而BF2又因不稳定而分解，析出硼原子。由此可以确定，以B4C为供硼剂的渗剂活性好、渗速快，这也是我们选用渗剂的理论基础。2.3试验的工艺参数一般视零件的具体要求来加以选择。凡是要求变形小而渗硼层较薄者可在临界点(ACl)以下进行，反之可再提高渗硼温度。本试验中选取的处理温度为9000C，保温时间取4小时。2．4工件试样标准本工件试样选用最常用的J1113型压铸机上的Φ40-0.05-0.08冲头作为标准，见图1。2．5磨耗试样标准本磨耗试样采用国家统一标准。3试验用的设备规格试验用的加热设备系采用上海实验电炉厂生产的系列产品SX-2-10-1300箱式电炉。磨损试验机的型号为MM-200。4渗硼过程中有关工艺的控制4.1渗硼层厚度的控制渗硼层的厚度的取得，主要取决子渗硼温度的高低和保温时间的长短，其间存在着线性关系。以本工件为例，根据其使用条件，并从损坏的零件中分析出其失效的主要形式为粘着磨损，从而得出以提高表面的残余压应力、增加韧性及改进耐热疲劳性能着眼，采取平均的渗硼厚度为70~80微米的单相Fe2B为宜。Fe2B为正方晶体，含硼量为8.3%，熔点为13890C，硬度约为HV1400-2000。4.2渗硼前后工件尺寸变化的规律对45号中碳钢冲头渗硼前后尺寸变化的规律如表1所示，由表可知：1)冲头前部的尺寸，渗硼以后，其尺寸变化较大；2)冲头后部的尺寸，渗硼以后，其尺寸变化较小；3)冲头渗硼前后尺寸变化的幅度一般为0.022毫米左右。判断45号中碳钢经磨削加工后，渗硼前的外径，要根据原球墨铸铁冲头与压室配合间隙的要求。在室m下，压室内径取Φ40+0.027,冲头外径为(D40龙器，相互之间的间隙为0.077^0.107毫米，两者皆受到高温金属作用后，前者直径缩小，后者外径膨胀，其热状态下的间隙大小，无法检测，只能通过理论计算求得。根据实际使用情况表明，压室材料按原来的3Cr2W8V钢，其热处理工艺不变及尺寸变化规律也恒定。但是冲头材料及热处理工艺，由于由球铁改为45号中碳钢以后，其热膨胀量皆起了变化。要使45号钢冲头在受热膨胀以后的外径恰好与球铁冲头受热膨胀后的外径相等，则必须满足以下的条件。即当冲头的工作温度如处在180℃，两种材料的热膨胀系数分别为：a45钢＝12．32×10-6／0C（在20～2000C）a球铁=11．85×10-6／0C由膨胀公式可知：d=d。〔1＋a（t-t。）］式中：d—最后的直径，mdo—实物的直径，mma—热膨胀系数t—工作温度，℃to室温，℃为了达到原生产所要求的配合间隙，则必须使：通过以上计算，说明渗硼后的冲头外径应为Φ40-0.053-0.083。根据实际渗硼后所得到的数据中可知，经渗硼后的冲头，其外径膨胀了0.022毫米左右，，所以冲头在加工时经过最后一道磨削加工后，其外径应控制在。Φ40-0.075-0.105即Φ39.895~39.925毫米范围内，即可满足实际生产的需要。4.3渗硼层表面耐蚀性渗硼能提高45中碳钢的耐腐蚀性能，在硫酸、盐酸、柠檬酸及醋酸的稀释水溶液中分别提高50,60,15及4倍；在KOH及NaOH的水溶液中分别提高4与3.6倍，在NaCl水溶液中提高0.9倍。对于渗硼表面与熔融的纯铝、铝硅合金及锌合金等相互作用的结果可参见表245钢渗硼表面与熔融合金的相互作用从以上试验数据中可知，由于渗硼层表面具有较好的耐腐蚀性和与合金所产生的亲和力小，这对冲头寿命的提高，是有所助益的。因此，渗硼表面只要在7000C以下的条件下工作，就已可为量大面广的锌合金和铝合金的压铸生产创造必要的条件。如果冲头采用水冷，其工况条件有所改善，对于寿命的提高更加有所裨益。4．4渗硼试样与氮化试样相对磨耗试验结果磨耗试验中取氮化后及渗硼后的圆盘试样，分别代表压室及冲头的实际情况，经成对装机后，在受载50公斤下对磨，每次以测量精度为1／10000的精密天平称其失重量，以检验其磨耗程度。经223889次转动后称重，氮化试样总失重量为0.6782克，而渗硼试样为1．3414克，即渗硼试样的磨损比氮化试样高出一倍，解决了压室经使用后是否会先期磨损的顾虑，为渗硼冲头的推广应用，打下良好的基础。乘用车发动机铝合金缸盖的低压铸造技术基于成本和力学性能方面综合考虑，扩大铝合金的应用是目前乘用车轻量化，降低油耗的主要手段，如发动机缸盖现已全实现铝合金化制造。尽管铝合金缸盖的生产方法有多种，但主流的制造工艺则是金属型铸造和低压铸造，其中欧洲和中国以金属型为主，而日本、美国则更多采用低压铸造。相对于重力金属型铸造，低压铸造由于是在压力下充型和结晶凝固，因而具有成形质量好、工艺出品率高等优点，但对于形状复杂、性能要求高的缸盖铸件，则存在着工艺复杂，控制要求高等技术难关。因此本文着重介绍了铝合金缸盖的低压铸造技术及其参数控制要点，以期充分发挥低压铸造工艺的技术优势，生产高质量的缸盖铸件。2缸盖的低压铸造工艺要点2.1浇注系统实例缸盖的低压铸造工艺方案一般为一根升液管，多个浇口即多权分流的形式。如4缸缸盖，具有代表性的两种浇注系统即在燃烧室侧是设置2个或4个浇口。图2为2个浇口的工艺示意图，该方案适合于一模一件或一模两件。2.2合金材料及熔化铝合金缸盖的材料一般选择AI-Si-Cu系合金如ZL105和107。如果对延伸率和耐腐蚀性有要求，也可以使用ZL101和ZL104。为获得高质量的金属液，标准操作应使用Ar气旋转吹气精炼并加入Sr变质及AJ-Ti-B细化晶粒。2.3浇注工艺2.3.1模具维护模具的定期清理和保养对于稳定生产高质量的缸盖铸件和延长模具的使用寿命是相当重要的。一般应在每生产500-700件后即进行模具维护，其主要内容是将模具拆开，用软刷清理型腔表面涂料及清除渗入到顶杆间隙、排气孔中的铝屑、涂料颗粒等，确保铸件外形质量、顶出顺利和排气顺畅。2.3.2涂料浇注前模具预热至200℃左右喷涂料。缸盖的形状复杂，应特别注意不同部位的涂料厚度不同。一般部位涂料厚度控制在0.1---0.2mm:精度要求高如燃烧室表面应采用颗粒细小的涂料，厚度为O.OSmn。左右;而对于浇口、冒口、内浇道等需要缓慢凝固的位置可适当厚一些，一般为0.5-1mm左右。2.3.3过滤网放置过滤网的目的是防止升液管中氧化物杂质进入型腔及形成层流充填。可采用价格便宜效果良好的镀锌金属网，网线直径叨.4---0.6mm,1214目。2.3.4温度铝液温度对缸盖内部缺陷、外观质量有很大的影响。浇注沮度在680-730的范围内为宜，实际操作中温度偏差应控制在20℃以内。低压铸造的特点是获得良好的顺序凝固，后此报具温度控制在低压铸适中待别重要。理想的模温分布是从浇口到上模逐渐降低，一改具各部具体表度控制范围为获得.上述温度场及提高缸盖铸件性能和缩短生产周期，必须对上模和侧模实施强制冷却。一般分为水冷和气冷，采用多路设置，每路单独自动控制(流量和压力)。水冷却采用压送式水泵，以解决模具内部因高温汽化产生气阻造成水流不畅的难题，气冷则是通以压缩空气。因缸盖具有多个浇口，两个浇口之间的距离近会导致位于浇口间的铸件部位温度上升，使浇口和该部位的凝固顺序相反。因此须在此部位设置局部强制冷却，以得到所需的温度梯度。从模具寿命和安全性考虑，冷却时应以间接冷却为主，在局部铸件厚度较大处可采用直接冷却方法。对于冷却强度有时间控制和温度控制两种方式，时间控制即控制通水或气的时间，该方法简单易行，但精度不高。温度控制则是在冷却位置出设置热电偶，根据热电偶测得的温度大小由PC来开启或关闭冷却水或气，控制精度相对较高。近年来，凝固数值模拟技术的发展为缸盖的低压铸造工艺优化提供了很好的参考依据，它可充分把握不同条件下的凝固测试结果，强化铸造工艺过程控制，确保铸件质量。2.3.5加压时间从充型到浇口凝固的时间称为加压时间，受温度的影响很大。在稳定生产条件下，加压时间虽然因缸盖的重量不同而有所变化，但一般控制在2-8min。若从提高生产效率的角度考虑，可采取一模2件、2段加压等方法缩短时间闭。2.3.6起模时间同加压时间一样，因温度的变化而变化。时间短时铸件易变形;时间过长则铸件易卡在模具内，取不出来。所以一般控制在加压时间的1/3左右。为提高铸件冷却速度，起模时可先开脱