鋁合金壓鑄模具失效分析及壽命提高措施

夏家引

（寧波威克斯液壓有限公司，浙江 寧波 315502）

0 引言

眾所周知，目前的模具加工技術(shù)包括沖壓模技術(shù)、塑料模技術(shù)及壓鑄模技術(shù)3類，而壓鑄模技術(shù)是后起之秀，在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中，其作用越來越突出。隨著工業(yè)化程度的不斷提高，壓鑄技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，壓鑄零件更是遍布各個(gè)行業(yè)，例如在儀器儀表、汽車制造及電子設(shè)施設(shè)備中。不同于切削及焊接工藝，壓鑄工藝在企業(yè)加工過程中有著較高的生產(chǎn)效率，這也大大提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，而這就要求提高模具的質(zhì)量，保證模具的使用壽命。因此，對鋁合金壓鑄模具失效進(jìn)行研究至關(guān)重要，這也是目前國內(nèi)外為了促進(jìn)模具技術(shù)發(fā)展而進(jìn)行的一個(gè)熱門研究課題。通過對鋁壓鑄模的加工及熱處理工藝進(jìn)行分析，以得到提高壓鑄模使用壽命的措施，這在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中具有深遠(yuǎn)的意義。

1 鋁合金壓鑄模具失效背景

鋁合金壓鑄的加工工藝過程包括下料、鍛造、球化退火、銑削加工、淬火、粗磨、精磨、電火花成形加工及研磨拋光。采用H13 鋼材料，通過高溫淬火以及回火處理，可以使H13 鋼材料的硬度達(dá)到46HRC 至49 HRC，這使得模具的耐磨性、抗疲勞性以及耐蝕性得到了很大程度的提高。模具的預(yù)熱溫度一般設(shè)置在200℃，對鋁合金進(jìn)行澆筑的溫度通?？梢赃_(dá)到670℃，慢壓射的距離設(shè)置為0.35 m，慢壓射的速度設(shè)置為0.3 m/s，壓射的距離設(shè)置為0.070 m，快壓射的速度設(shè)置為3.0 m/s，經(jīng)過反復(fù)使用模具達(dá)3 000 次后，模具型腔表面會(huì)有裂紋產(chǎn)生，但數(shù)量不多，模具底部出現(xiàn)沖蝕情況，假如再多次使用，模具型腔表面的裂紋難免增多，導(dǎo)致模具外觀質(zhì)量受損。圖1（a）為某失效壓鑄模具的型芯結(jié)構(gòu)圖，圖1（b）則展示了此失效壓鑄模具具體的型腔結(jié)構(gòu)。

2 鋁合金壓鑄模具失效原因分析

以上對鋁合金壓鑄模具失效背景進(jìn)行了介紹，下面對其失效的成因做具體分析。

首先對該失效模具進(jìn)行取樣觀察，獲得了該失效模具裂紋處的金相組織圖，該金相組織灰白條紋間隔分布，其中，灰色條紋區(qū)域主要成分為回火馬氏體，而白色條紋區(qū)域主要成分為殘留奧氏體，說明有一定量的碳化物析出，組織中的非金屬物質(zhì)含量較多。

圖1 失效的模具結(jié)構(gòu)

通過對模具進(jìn)行時(shí)效研究發(fā)現(xiàn)，H13 鋼材料具有較大的截面尺寸效應(yīng)，而且導(dǎo)熱性差，經(jīng)過長時(shí)間高溫淬火后，工件的晶粒變得更加粗大，局部奧氏體過飽和碳濃度升高，而經(jīng)過回火工藝后，組織內(nèi)的馬氏體變化明顯，出現(xiàn)較大的應(yīng)力現(xiàn)象，并且在熱處理過程中局部有大量碳化物析出，這就造成了工件韌性不足，發(fā)生脆化現(xiàn)象。隨著碳化物的大量析出，模具底部凹角處產(chǎn)生大量的集中放電現(xiàn)象，并且電流放電效應(yīng)不斷積累，進(jìn)而造成模具型腔凹角處產(chǎn)生越來越明顯的裂縫，增大了失效模具內(nèi)部的拉應(yīng)力。除此之外，在壓鑄模具的過程中，鋁合金液由于受到模具型腔的空間包裹限制，在模具型腔內(nèi)的凹角處產(chǎn)生一定的拉伸力，而溫度較高的鋁合金液通過熱傳導(dǎo)使模具表面溫度隨之升高，進(jìn)而導(dǎo)致模具膨脹，在模具工作表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，而在脫模后，需要對模具進(jìn)行冷卻處理，進(jìn)而導(dǎo)致模具收縮，產(chǎn)生一定的切向拉應(yīng)力，這幾種力反復(fù)作用，在模具型腔內(nèi)的凹角處不斷積累，導(dǎo)致脆化的模具出現(xiàn)裂紋，并且裂紋不斷加深。通過以上具體分析可以得知，不恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚰皦鸿T過程中的交變應(yīng)力將導(dǎo)致模具產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)失效。

3 提高鋁合金壓鑄模具壽命的措施

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可采取以下具體措施。1）采用CAE 技術(shù)對壓鑄模具的溢流槽與內(nèi)澆口的數(shù)量及位置進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地減輕澆筑鋁液時(shí)對壓鑄模材料的沖蝕作用，進(jìn)而延長壓鑄模的使用壽命。2）在不影響鑄造工件表面質(zhì)量的前提下，為了減小鋁合金液對壓鑄模的沖擊，可適當(dāng)增大內(nèi)澆道的截面積，同時(shí)能夠起到增加流量的作用。3）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，可采用整體式溢流槽結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高壓鑄模局部溫度、減小壓鑄件變形量的目的，進(jìn)而保證壓鑄件生產(chǎn)品質(zhì)。4）可將模具型芯設(shè)計(jì)為臺(tái)階狀，以減少鋁合金液在壓鑄模工作表面產(chǎn)生的粘模力。5）把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙型芯對鑄結(jié)構(gòu)，可減輕細(xì)長型芯受鋁液的沖擊，避免在脫模過程中毀傷內(nèi)孔，防止變形。6）在壓鑄模常出現(xiàn)裂紋的位置，可設(shè)計(jì)成鑲件結(jié)構(gòu)，這樣即使在后期出現(xiàn)裂紋也能及時(shí)進(jìn)行更換。

另外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注意到壓鑄模的精度。在加工過程中，一定要采取閉環(huán)控制的方式，務(wù)必對裝配尺寸鏈的累積誤差進(jìn)行及時(shí)消除。

3.2 工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命。具體的工藝優(yōu)化過程包括以下4 個(gè)方面。1）通常情況下，磨削加工存在大量的熱量，通常會(huì)引起成型腔表面的破裂。基于以上分析，為了盡可能地避免壓鑄模失效現(xiàn)象的發(fā)生，最大程度地提高壓鑄模的使用壽命，在進(jìn)行磨削加工處理的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)盡量選擇冷卻充分、自銳性好的砂輪進(jìn)行精磨加工。2）要有效采取H13 鋼硬態(tài)銑削措施，通過此方法盡可能獲得與磨削處理工藝相當(dāng)?shù)拇植诙龋敕皆O(shè)法運(yùn)用此方法代替磨削加工，從而使生產(chǎn)成本盡可能減少。3）為了盡量減少甚至消除壓鑄模表層存在的殘余壓應(yīng)力，需要對電加工后得到的壓鑄模表面進(jìn)行噴丸，從而緩解熱疲勞造成的裂紋，最終達(dá)到提高壓鑄模使用壽命的目的。4）在切割過程中產(chǎn)生了大量的脈沖能量，進(jìn)而造成壓鑄模工作表面產(chǎn)生裂紋。為了避免這種現(xiàn)象造成的壓鑄模失效，在H13 鋼成形切割過程中，應(yīng)采用中脈寬、大峰值電流的加工工藝，而后續(xù)的精修加工，再采用小脈寬來降低脈沖能量。

3.3 硬度設(shè)計(jì)與熱處理工藝

除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化外，硬度設(shè)計(jì)與熱處理工藝也能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命，具體包括2點(diǎn)。1）硬度設(shè)計(jì)：在選擇壓鑄模不同部分的硬度時(shí)，應(yīng)遵循科學(xué)合理的原則。研究證實(shí)，通過真空淬火處理后，H13鋼可以達(dá)到的最佳硬度值范圍是44HRC 至48HRC，當(dāng)然，還需要按照實(shí)際壓鑄模失效的形式來確定具體如何選取壓鑄模表面的硬度，其中，壓鑄模熱疲勞失效取上限，壓鑄模脆性開裂失效取下限；根據(jù)鋁合金壓鑄模的尺寸大小不同，鋁合金壓鑄模硬度的選取不同，對于大尺寸、形狀復(fù)雜的壓鑄模表面硬度值范圍是44HRC 至46HRC，中小型鋁合金壓鑄模表面硬度值范圍是46HRC 至48HRC；對于大型型腔，可采取降低硬度的方式提高韌性、防止開裂，而采取降低韌性的方式，能夠防止型芯失效。2）熱處理工藝：在1 020℃～1 100℃中對H13 鋼進(jìn)行保溫，其可以讓碳化物更好、更充分地與奧氏體相溶，這對于提高壓鑄模具的使用壽命無疑是一個(gè)巨大的福音。熱處理工藝具體的操作流程主要包含對熱油中的壓鑄模型腔進(jìn)行反復(fù)翻轉(zhuǎn)，從而盡可能改善和實(shí)現(xiàn)對流傳熱效果；選用氮化或碳氮共滲方式處理壓鑄模型腔表面，避免侵蝕作用；在對型芯進(jìn)行處理時(shí)，不要整體侵入熱油中，應(yīng)該先將表面與熱油進(jìn)行接觸，這樣能夠提高型芯的韌性與硬度。

3.4 生產(chǎn)注意事項(xiàng)

在實(shí)施提高鋁合金壓鑄模具壽命措施的同時(shí)，注意在使用壓鑄模前應(yīng)對其進(jìn)行合理預(yù)熱，以達(dá)到減小熱應(yīng)力的效果，另外要注意對壓鑄模定期退火，這樣做能夠消除在反復(fù)使用壓鑄模具過程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

4 結(jié)論

在運(yùn)用壓鑄模具進(jìn)行加工的過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過對模具采取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、硬度設(shè)計(jì)與改善熱處理工藝等措施來延長壓鑄模具的使用壽命。