铝合金压铸用耐高温脱模剂的开发研究

广州市鑫煜铸造设备材料制造有限公司董事长 

          苏州市压铸技术协会               副理事长  修毓平

          北美压铸协会                     会员

摘要：针对高模温条件下压铸件出现粘膜、表面发黄等问题，模拟模具表面喷涂脱模剂的工艺条件，使用热成像仪等设备，评测不同模具温度场状态下不同配制脱模剂润滑薄膜的形成和降温速率，开发了一种耐高温脱模剂XY-90A，现场应用表明，该脱模剂对于克服压铸件高温粘模、表面泛黄等表面质量问题有明显的作用。

铝合金压铸用脱模剂的种类很多，含二甲基硅油的脱模剂曾经受到使用厂家的青睐。但是这种硅油是线性体，耐温性不高，温度达180度即开始氧化随之胶粘。长期使用还导致模具不同程度的伤害，对铸件表面后期处理效果不好。当脱模剂的有机物含量过高，在热熔铝的温度下，有些被还原成碳元素，有些变成有机大分子聚合物。碳分子和聚合物混合，在铝铸件形成时，被包含在表层，成为我们在磨光时看见到的黑斑。（当然还可能与氧化硅或氧化铝过多有关，这是来自铝锭质量本身和精炼处理的问题。）

众所周知，脱模剂的核心作用是保护模具，在压铸合金和压铸模具之间提供有效的隔离保护层，避免金属液直接冲刷型腔和型芯表面，改善压铸模具的工作条件，减小压铸模具的热疲劳。同时理想的脱模剂可以提高金属液的成型性，特别在模具温度高的部位提供优良的润滑性能和脱模性能，防止黏模，提高压铸件的表面质量。

随着对压铸厚壁大件及深腔复杂件表面质量的要求不断提高，希望脱模剂在高模温时具有更高的耐高温性，更高的隔离性，同时保持优良的润滑性，能够在模具表面迅速形成均匀致密且牢固的薄膜，对压铸件和模具无腐蚀作用。脱模剂性能稳定，不分层，不破乳，无刺激性气味，高温时不分解有毒有害气体。

为此，我们结合北美压铸技术发展的现状，针对性地开发研制了一款耐高温的以高分子聚合物为主体的水基脱模剂XY-90A 。选取300ºC和350ºC两个点，重点对比分析研究了XY-70A 和XY-90A脱模剂在模具高温区形成润滑膜的致密度与附着量。经工厂小批量使用，表明XY-90A具有以下品质特点:

1）该脱模剂以国际知名化学公司的进口原料为主体，由改性硅氧烷、多羟基聚合物，表面活性复合剂和热稳定性极佳的无灰型有机添加剂、脱模协调剂、纳米级微晶树脂光亮剂等，经特殊工艺调配而成，不含任何矿物油、甲基硅油，石蜡以及凡士林等成分。

2）乳液稳定性能好，不分层、无泡沫或沉淀物，产品同时具备较高的生物降解性能，不含任何有毒成分，无刺激性气味，不影响工人健康。使用中不会产生任何有害的烟雾或异味，大大改善生产环境。

3）在局部模温300ºC的条件下，型腔表面仍可形成致密的耐高温、抗冲刷保护膜，具有耐高温性和良好的润滑性，大大提高了脱模效果和压铸件的合格率。

4）模具表面不会有残积物，铸件上无任何黄斑、黑点，能有效改善压铸工件的表面亮度和光洁度品质。克服了一些高档脱模剂虽然脱模效果较好，却在后续加工中喷不上油漆或油漆表面起壳产生缩孔、漆皮脱落等现象。压铸件表面易清洗，不流痕迹。 

5）冷却效果好，可有效防止模具因热疲劳而产生龟裂纹，延长模具的使用寿命。

6）不影响铸件后续表面处理，铸件成品后均可获得较佳的电镀及烤漆质量。

7）有很高的兑水比例，高品质、低价位，质量可与目前进口高端产品媲美，而价格低于进口产品。

    研究过程中发现，压铸过程中常见问题之一是铸件在模具型腔的高温区域易出现黏模。铸件成型表面与模具表面之间有相当大的接触压力，压铸时铸件受到三向非均匀分布的压应力，因此润滑油膜易破裂，高温也使润滑膜产生化学变化，成型过程中的二次挤压会有少量新的金属表面出现，新的表面物理化学性能与原先的金属表面不同，也没有润滑剂保护，易与模具黏着，使模具磨损，寿命减低，同时铸件内部变形不均匀分布所产生的附加应力和残余应力，影响铸件表面质量，也增加了取件的难度，直至黏模。此外，对于模具来说，由于压铸工艺和模具温度场的变化，成形过程中是一种间断的非稳定的摩擦，且模具不同部位都不相同。在此状态下的润滑机理不能用普通物理学中的库仑摩擦定理进行分析与描述。国内外专家曾先后提出机械—分子摩擦理论，黏着—梨沟摩擦理论，边界摩擦，混合摩擦，弹性黏流摩擦理论等。同时研究各种复杂化学成分的润滑剂。

由于高温高压下铸件和模具接触表面的状态非常复杂，特别是模具温度较高会引发很多问题。时至今日，人们对压铸成形中粘模及表面质量问题的研究已逐渐由宏观表面进入微观表面，由定性分析到建立数学模型分析，由单因素研究进入多因素综合研究，从静态研究发展到动态研究。但大多还是停留在直观的定性分析上，其共识是：压铸工艺，模具温度，模具表面质量，充型温度，脱模剂的化学成分，喷涂工艺等对粘模、积碳及表面发黄均有重要的影响。甚至使用质劣冲头蜡丸都会导致铸件发黄；因脱模剂浓度过高、喷涂量过大导致的表面积碳也并不鲜见。

从根本上看，脱模剂的质量优劣是必须面对的。它的重要性在于能否承担隔离铸件和模具的任务。脱模剂的作用是分离模具与压铸件的表面，降低模具的损伤，使铸件的表面光洁，同时对模具起到冷却，调节与控制的作用。粘模是铸件与模具界面材料分子或原子间的物理化学作用，其中最重要的是黏附力。铝，锌，镁，铜等压铸金属材料和模具材料为多晶体结构，表面分子比内部分子有较大的势能，即表面能。他们都具有使其表面能趋向最低的本能，即驱使位于自由表面的原子排列达到平衡的本能。如果两金属表面相距十分近，为使表面能降下来，彼此之间的晶格会结合，出现黏着现象。众所周知，互相接触的固体间存在着引力，引力由金属键，共价键和离子键形成，属于短程力的键力。还有长程力的范德华力（Von Der Wools Force）。当接触距离在几纳米时，范德华力均起作用。在1纳米内，各种短程力开始起作用。要估算黏附结合的强度，首先要确定金属的内聚力，然后计算接触面的表面力。但由于金属的电子结构复杂，目前尚不能理论求解内聚强度。从现象上看，黏模无非是化学上的结合，或是机械的咬合。和黏附强度有关的因素主要是：金属的种类，金属的互溶性，晶格的取向，接触时弹塑性变形的方式，弹性回复，偏析和氧化，位错和微裂，接触温度等。模具本身的表面硬化，表面粗糙度，接触压力等也是重要的因素。不同原子的结合能力不同，故选择适当的模具材料和离型剂配方，可最大限度减少铸件与模具的黏着。

脱模剂与模具表面可以产生非极性或极性物理吸附膜，化学吸附膜及化学反应膜。物理吸附膜对温度很敏感，被吸附在模具表面上的极性分子处在不断吸附和脱附的动态平衡状态。温度上升，脱吸增多，吸附膜厚度减小，边界吸附膜强度降低，使分子脱吸，乱向，甚至薄膜熔化。反之亦然。因此，物理吸附膜只在低接触压力和低温条件下有效。

当脱模剂中没有极性分子时，脱模剂只能在模具表面产生非极性物理吸附膜；反之则产生极性物理吸附膜。它的强度要大于非极性物理吸附膜。当脱模剂组分中的原子与模具表面的原子可使用共同的电子时，就会在模具表面产生化学吸附膜。其强度又高于极性物理吸附膜。在一定的接触压力和温度下，脱模剂中的极压剂也可能与模具表面发生化学反应产生化学反应膜。它的强度又大于化学吸附膜。一般说来，脱模剂的吸附膜强度越高，防止粘模的效果越好。因此根据不同的压铸件和压铸工艺条件，选择相应的脱模剂以形成高强度的吸附膜是脱模剂生产厂家必须不断开发研究的课题。

                                         2015年4月于广州