壓鑄模具的失效形式及提高其使用壽命的途徑

摘要：分析了壓鑄模具在壓鑄過程中的幾種失效形式和主要影響因素，從壓鑄模的合理設(shè)計、壓鑄模材料的合理選用、正確運用熱處理技術(shù)、壓鑄模的表面強化技術(shù)和壓鑄模的正確使用、維護等方面探討了提高壓鑄模壽命的途徑。

關(guān)鍵詞：壓鑄模具；失效；使用壽命

1 引言

近年來壓鑄生產(chǎn)的迅速發(fā)展，為汽車、摩托車的大量零部件提供了一種經(jīng)濟、高效的生產(chǎn)方式。如何提高壓鑄模的使用壽命，歷來是人們所關(guān)心的問題。壓鑄模壽命短不但增加產(chǎn)品的成本，而且嚴重影響生產(chǎn)，成為生產(chǎn)上急待解決的關(guān)鍵問題。

2 壓鑄壓鑄模的失效形式

2.1 熱疲勞裂紋

熱疲勞裂紋是壓鑄壓鑄模最常見的失效形式，占壓鑄模失效的60％~70％。由于壓鑄過程中壓鑄模反復(fù)經(jīng)受急冷、急熱所造成的熱應(yīng)力，導(dǎo)致在壓鑄模型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處逐漸產(chǎn)生微裂紋，其形貌多數(shù)呈現(xiàn)網(wǎng)狀，又稱龜裂，也有呈放射狀。這些在壓鑄模表面淺層中的微裂紋，一般可以修復(fù)掉，如果熱疲勞裂紋深入基體內(nèi)部，修模會導(dǎo)致壓鑄模尺寸超差，或者由于壓鑄過程中循環(huán)次數(shù)的增加，熱應(yīng)力使熱疲勞裂紋繼續(xù)擴展成宏觀裂紋，從而導(dǎo)致壓鑄模的失效。熱疲勞裂紋是熱循環(huán)應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用而產(chǎn)生的。塑性應(yīng)變促進裂紋的形成，拉伸應(yīng)力促進裂紋的擴展與延伸。因此降低溫度循環(huán)幅、增加壓鑄模材料強韌性、形成表面壓應(yīng)力，均可推遲或延緩熱疲勞裂紋的形成及擴展，從微觀分析，熱疲勞裂紋往往在晶界碳化物、夾雜物集中區(qū)萌生，因此鋼質(zhì)潔凈、顯微組織均勻的優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼有較高的熱疲勞抗力。

2.2 整體脆性開裂

整體脆性開裂是由于偶然的機械過載或熱過載而導(dǎo)致壓鑄模災(zāi)難性斷裂。材料斷裂時所達到的應(yīng)力值一般都遠低于材料的理論強度，由于微裂紋的存在，受力后將引起應(yīng)力集中，使裂紋尖端處的應(yīng)力比平均應(yīng)力高得多。壓鑄模脆性開裂引起的原因很多，諸如壓鑄操作失常引起的機械過載、熱沖擊，壓鑄模設(shè)計不合理產(chǎn)生應(yīng)力集中等等。材料的塑韌性是與此現(xiàn)象相對應(yīng)的最重要的力學(xué)性能。模具鋼中夾雜物的減少，韌性將明顯提高。在實際生產(chǎn)中，整體脆斷的情況較少發(fā)生。

2.3 溶蝕或沖蝕

熔融的金屬液以高壓、高速進入型腔，對壓鑄模成形零件的表面產(chǎn)生激烈的沖擊和沖刷，造成型腔表面的機械沖蝕，高溫使壓鑄模硬度下降，導(dǎo)致型腔軟化，產(chǎn)生塑性變形和早期磨損。此外在填充過程中，高溫金屬液中雜質(zhì)和熔渣對壓鑄模成形表面會產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)作用，產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，熔融金屬液逸出氣泡使型腔發(fā)生氣蝕，這些機械和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果都在加速表面的腐蝕和裂紋的產(chǎn)生。提高壓鑄模材料的高溫強度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。

3 提高壓鑄模壽命的方法

3.1 壓鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理

鑄件壁厚設(shè)計應(yīng)盡量均勻，避免產(chǎn)生熱節(jié)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變型，并減少局部熱量集中；在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下應(yīng)盡量采用薄壁結(jié)構(gòu)；鑄件的轉(zhuǎn)角處應(yīng)有適當?shù)蔫T造圓角以避免在壓鑄模相應(yīng)部位形成棱角，使該處產(chǎn)生裂紋和塌陷，同時也有利于改善填充條件；鑄件上應(yīng)盡量避免出現(xiàn)窄而深的凹穴等，以免壓鑄模的相應(yīng)部位出現(xiàn)窄而高的凸臺，使散熱條件惡化，并因受沖擊而彎曲、斷裂。鑄件設(shè)計應(yīng)考慮壓鑄模結(jié)構(gòu)工藝與制造工藝的可行性與合理性。

3.2 壓鑄模的設(shè)計要正確

壓鑄模是根據(jù)壓鑄件的形狀結(jié)構(gòu)來設(shè)計的，壓鑄模的各種參數(shù)和零件形位公差的計算選取要準確，壓鑄模組成構(gòu)件要有足夠的剛度以承受鎖模力和金屬液充填時的反壓力。設(shè)計澆注系統(tǒng)時應(yīng)使熔化金屬能平穩(wěn)自由流入型腔。要盡量防止金屬液正面沖擊或沖刷型芯，減少澆口流入處受到?jīng)_蝕。澆注系統(tǒng)設(shè)計冷卻水通道系統(tǒng)應(yīng)保證整個壓鑄模型腔表面的溫度能均勻一致，且通道光滑和平整，多型腔壓鑄模中各澆道的長度、截面積、澆口和溢流口位置應(yīng)相同。在成型壓力與填充速度得以保障情況下，適當增大內(nèi)澆口截面積會提高壓鑄模使用壽命。鑲塊的組合形式要能適應(yīng)熱處理的要求，易損部位處宜采用局部鑲拼法以便更換等。

3.3 合理選取壓鑄模材料

目前，用于壓鑄模的熱作模具鋼主要有鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼三類，其中使用最多的是3Cr2W8V鋼和H13鋼(4Cr5MoSiV1)。3Cr2W8V鋼是老牌熱作模具鋼，有7O多年使用歷史，國產(chǎn)壓鑄模使用較多。這是一種含鎢量高達8%的熱作模具鋼，其回火抗力較高，熱強度和高溫耐腐蝕性較好，但其韌性、熱疲勞抗力、抗氧化性均較差，熱膨脹率較大，難以適應(yīng)現(xiàn)代壓鑄機的高溫高壓、快速溫度循環(huán)的工作條件，因而在國外已趨淘汰；國外壓鑄模多用H13鋼，這是美國研制的以合金元素鉻為主的熱作模具鋼，它有良好的韌性、熱疲勞抗力和抗氧化性，經(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚砗?，其使用壽命可達到相當高的水平，現(xiàn)已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應(yīng)用，國外90%以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。我們應(yīng)加速推廣H13鋼優(yōu)質(zhì)壓鑄模材料的使用，并進一步加強壓鑄模材料的研究開發(fā)，在對國外優(yōu)質(zhì)壓鑄模材料消化吸收的基礎(chǔ)上，開發(fā)出適合我國國情的優(yōu)質(zhì)壓鑄模具鋼。

壓鑄模鋼的材質(zhì)控制至關(guān)重要，制造壓鑄模的H13鋼必須是鋼質(zhì)潔凈，組織均勻，偏析輕微，等向性好的優(yōu)質(zhì)鋼。目前國內(nèi)已能商品化生產(chǎn)H13鋼，但在同樣的壓鑄模設(shè)計及壓鑄條件下進口壓鑄模壽命遠高于國產(chǎn)壓鑄模，這是由于國外優(yōu)質(zhì)H13鋼的生產(chǎn)過程中采用了一系列先進工藝技術(shù)，如通過真空除氣、電渣重熔等精煉技術(shù)提高潔凈度，再通過多向軋制或反復(fù)墩鍛及采用超細化處理技術(shù)，使H13鋼具有優(yōu)良的內(nèi)在質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)H13鋼的生產(chǎn)是使用上述先進工藝技術(shù)的組合，采用單一技術(shù)，倒如電渣重熔的H13鋼，雖可有低的雜質(zhì)含量，但不能達到優(yōu)質(zhì)鋼的全面質(zhì)量指標。因此運用先進冶煉工藝提供更多的高純度壓鑄模具鋼，是國內(nèi)今后努力的方向之一。

3.4 正確的熱處理工藝和表面強化處理技術(shù)

熱處理質(zhì)量對壓鑄模使用壽命起十分重要的作用。在熱處理時應(yīng)注意以下幾點：(1)鍛件在未冷至室溫時應(yīng)進行球化退火。(2)粗加工后、半精加工前，增設(shè)調(diào)質(zhì)處理，并于精加工前，安排去應(yīng)力回火。(3)淬火時注意鋼的臨界點Ac1和Ac3及保溫時間，防止奧氏體粗化?；鼗饡r按20mm／h保溫，成型零件淬火后應(yīng)采用多次的回火。為盡量減少熱應(yīng)力，壓鑄模在加熱到淬火溫度前必須進行分級多次預(yù)熱。(4) 熱處理時應(yīng)注意防止型腔表面的脫碳，采用真空或保護氣體熱處理，可以減少脫碳、氧化、變形和開裂。

采用表面強化技術(shù)提高壓鑄模表層的強度、耐磨性及耐蝕性，可以延長熱裂紋萌生的孕育期， 阻止熱裂紋的擴展， 由此提高壓鑄模的熱疲勞壽命。目前最常用的是表面滲氮強化技術(shù)，氮化使壓鑄模表面產(chǎn)生較硬的氮化層，此氮化層有很好的耐磨性和耐腐蝕性，能提高壓鑄模的耐熱疲勞強度和降低摩擦系數(shù)，提高壓鑄模壽命，一般采用離子氮化或氣體氮化。

3.5 合理維護使用壓鑄模

生產(chǎn)前進行壓鑄模預(yù)熱工作，有助于減少壓鑄模表面和熔融金屬之間的溫度差，降低型腔表層溫度梯度和熱應(yīng)力，壓鑄模經(jīng)受熱沖擊的危險性也隨之變小。預(yù)熱也可以增加壓鑄模材料的韌性。生產(chǎn)過程中，壓鑄模溫度逐步升高，當溫度過熱時，會造成鑄件產(chǎn)生缺陷、粘模或活動機構(gòu)失靈。降低模溫時需注意冷卻溫度適宜，壓鑄模冷卻劑需加熱到5O℃后再使用，這樣可以減少熱裂。壓鑄模一般均應(yīng)設(shè)置冷卻通道，通進適量的冷卻水以控制壓鑄模生產(chǎn)過程的溫度變化。最好使用壓鑄模溫控系統(tǒng)，使壓鑄模在生產(chǎn)過程中保持在適當?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)，壓鑄模壽命可以大大延長。

經(jīng)常保養(yǎng)可以使壓鑄模保持良好的使用狀態(tài)。新壓鑄模在試模后，無論試模合格與否，均應(yīng)在壓鑄模未冷卻至室溫的情況下，進行去應(yīng)力回火。壓鑄模使用一段時間后應(yīng)作除應(yīng)力處理，采用比壓鑄?；鼗饻囟鹊?0～5O℃的溫度保溫2h進行除應(yīng)力回火，以防止壓鑄模長期受復(fù)雜應(yīng)力相互作用而產(chǎn)生迭加導(dǎo)致壓鑄模扭曲變形，甚至開裂。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代壓鑄生產(chǎn)向高壓、高速方向發(fā)展，對壓鑄模壽命提出了越來越高的要求，要提高壓鑄模壽命，首先應(yīng)分析壓鑄模的失效形式，然后針對失效形式確定提高壓鑄模壽命的措施。實踐證明，合理設(shè)計壓鑄模結(jié)構(gòu)及形狀、正確選擇壓鑄模材料、采用恰當?shù)臒崽幚砉に嚰氨砻鎻娀幚?、使壓鑄模在正常的工作條件下工作等措施，均能提高壓鑄模壽命。

參考文獻

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作者簡介：賴華清，男，1964—。常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，副教授，研究方向：鑄造合金熔煉，模具設(shè)計與制造。