模具粘模问题怎样解决.docx
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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），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，并且很容易发展成直径为左右的小凹坑。
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。
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（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%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微米，最后慢慢地发展成为直径达微米的小凹坑。
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（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（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。
反之，如果氮化层太厚，将会对材料的热疲劳性产生负面影响。
这里通过测量残留在测试棒表面上的铝粘模的重量，来评估发生在测试样件/测试棒上粘模量的多少。
本文已经进行了Mo-785,Ti-6AI-4VandAnviloy1150粘模和冲蚀性的评估试验。
所有的这些工作都是按照标准的程序来执行。
通过这种方法，就可以确定不同材料对形成粘模的相互影响效果。
另外还测试了H13模具材料表面的致密层，包括几种物理气相沉积致密层和不同深度的碳氮共渗强化处理的测试。
降低粘模发生的影响因素和方法
既然粘模是压铸行业一个很普遍的问题，我们现在就必须考虑补救的措施和方法来阻止粘模的发生。
文中这部分列出并叙述了一些影响粘模发生的因素和降低这种现象发生的方法，包括金属流和模具的温度、铸件合金及脱模剂等。
1对铝合金的分析非常重要，这是因为铸件中的铝合金与模具中的铁具有很强的亲和力。
如果铝合金中的含铁量不足（在%范围），它就很容易在H13材料模具的模具内粘结。
理想的铁含量已经在图19的三维金相图中列出。
在这种情况下，我们监测到铝-硅合金的金相图中含有%的铁。
因此，金相组织就被转换成只有10%的硅，从而合金中含有充足的铁，也就不再需要增加更多的铁。
如果铁的含量低于%，那么合金就更趋于产生粘模。
这就意味着，360、380和383合金比355、356和357合金导致粘模的可能性要低。
2需要应用良好的脱模剂从而形成模具保护层，从而防止模具粘模的发生。
3高的内浇口压射速度会加快粘模的形成，因而，需要考虑降低内浇口压射速度。
检查影响内浇口压射速度的因素，比如压射冲头的速度和尺寸、机器压力、内浇口面积以及其他的PQ2因素。
4当内浇口和模具表面两者的接触面的角度接近180度时，最容易发生粘模。
最好的设计是避免接近180度的大转角来降低发生粘模的可能性。
5在模具内粘模处采用高熔点的特殊材料，对模具表面进行处理对防止粘模非常有效，这样可降低发生粘模的机会。
钼就是特殊材料中的一种，可以将它焊接在模具内的粘模处。
6可以用来增加改善模具性能的材料之一就是钨。
众所周知，钨具有较高的抗粘模能力和较高的熔化温度。
然而，钨合金的高熔点，它几乎没有得到采用，除非作为补充的模具镶件，而非焊接定位。
需要注意的是这种材料比H13更昂贵以及它相当脆。
7其它的抗粘模材料包括CrN+W、CrN、（TiAl）N和CrC。
问题是CrC材料会产生凹坑，并且在凹坑位置会降低材料热疲劳性。
这些材料已经在上面进行了描述。
8高的金属流压力会增加粘结和粘性，特别是在最小的设计区域里。
金属流的压力需要通过计算并设置生产出高品质的铸件产品所需要的最小压力。
静压和加强压力都很重要，两者都必须考虑。
需要注意的是通过改变机器压力来改变金属流的压力的同时，其它参数也会随之改变，因此应该采用渗透系数的方法对所有参数进行计算。
与此同时，也可以使用在压铸行业标准中允许的设计应用大的浇道圆弧角。
硅
图19-铝-硅+%铁平衡图（看虚线）
金属与模具的类型和温度
模具温度的高低对于是否会发生粘模非常重要。
模具温度越高，就越易产生粘模现象。
由于金属液在高压状态下压射进入模具，金属液和模具表面发生物理或化学反应，从而发生粘模。
当第一次高压压射进模具时，粘模现象就很容易出现。
当压射金属流使得模具表面变得粗糙时，粘模形成的趋势会增加。
这说明硅含量的增加将减缓粘模发生的趋势。
各种各样的脱模剂都可应用在商业生产中。
以前用来降低粘模发生的石墨脱模剂因其对环境的影响而不再采用。
脱模剂有助于减少粘模，其作用也是我们接下来要讨论的。
脱模剂在铸件和模具之间形成一层防护膜，他们同时作为绝缘膜防止金属液与模具表面直接接触。
然而，脱模剂必须有足够的强度来承受金属液的分离或冲击。
模具的冷却水温度要低于模具表面的温度，以便使脱模剂可以充分附在模具表面上，起到理想的防护作用。
对于模具本身，一般在前期的处理就在模具表面形成了一层致密的薄膜，这层薄膜是在模具使用前进行处理。
这层薄膜被称为氧化金属膜和致密膜。
对于与模具面小的夹角冲击而言，当模具表面受到金属流的直接冲击（180度）时更加容易破坏这层氧化膜。
通常模具断面较小或凸出较小的形状部分容易发生粘模，这是因为这些部位一经受热，温度将急剧增加。
当发生了粘模的模具表面出现了粗糙区域时，这块区域将加快粘模的进一步发生。
当对模具进行清理时，必须保证由于粘模引起的粗糙部位将得到清除。
其它的可能会导致产生粘模的因素包括压铸压力不稳定等。
这就意味着在模具内使用脱模剂以及使用的脱模剂种类就格外重要。
如果模具的温度太高，脱模剂就较难附着在模具表面上。
这是因为脱模剂会被加热到一个很高的温度，以致很快就被蒸发无法附着在模具表面，从而使得粘模现象发生的倾向加大。
对于容易产生粘模的地方，可以通过增加水冷点来降低其温度，必要时应该控制冷却管道的布置。
同时，重新考虑到粘模发生处的喷涂，也可考虑采用传热性较好的模衬，以及减少充填时间来防止热量在模具内积聚。
钢铁铝膜处理和粘模
如果铝硅合金液在进入型腔之前对模具表面进行铝膜化处理，就可减少粘模现象发生。
这种处理的目的就是希望在钢铁暴露部分形成致密层，阻止粘模的发生。
在铝膜化处理过程中所形成的致密层厚度对铝膜影响很大。
致密层的成分是由最初的铝硅铁合金和铝铁合金组成。
据报道，铝膜化处理对防止粘模的发生非常有效。
金相测试的结果也证实铝膜处理后形成的保护膜的作用非常巨大。
总结
目前导致产生粘模的主要原因包括：
a）金属流以相对大的角度进入模具型腔内时，这些金属被迫与模具进行接触；b）进入模具的金属流的量相对较大；c）金属流的温度相对高。
很显然，从上面讲述的信息来看，在发生粘模比较严重的地方，必须采用不同的材料或者脱模剂。
粘模的产生受以下因素的影响：
模具表面的温度、铝合金熔液的温度，铝合金材料的成分和模具材料、模具表面光洁度、内浇口的设计及方向、模具表面的强化处理等。
在易发生了粘模的地方使用高强度的其它特殊材料，减少粘模发生。
这些材料包括Mo-785，Ti-6AI-4V和Anviloy1150。
另外，各种模具表面处理方法可以明显地减少粘模。
这些表面处理方法包括：
渗氮和碳氮共渗处理、物理气相沉积致密层、比如{TiAl（钛化铝）}氮、CrC和铝膜等
一般认为粘模是个头痛的问题，而压铸行业人士认为可以通过下列方法减少粘模问题的发生：
1金属液进入模具的方向必须以较小角度接触到型腔表面；
2在保证质量情况下，尽量降低金属液的温度；
3将模具内容易产生粘模的地方的温度降到最低；
4在允许范围内，提高铝合金中铁的含量至%；
5喷射于模具表面的脱模剂应该有效地减少粘模现象的发生；
6模具的表面处理能够减少粘模，这些表面处理方法包括：
渗氮和碳氮共渗处理、物理气相沉积致密层、如{TiAl}N和CrC和铝膜等
7在易发生了粘模的地方使用高强度的其它特殊材料，这些材料包括钼基合金，如Mo-785；以及钨基合金，如Anviloy1150。
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