鋁合金壓鑄模具龜裂失效分析

趙建偉

（新大洲本田摩托 ( 蘇州 ) 有限公司，江蘇 太倉 265700）

鋁合金壓鑄模具的工作條件具有著和高溫高壓性。同時，處于工作模式中的鋁合金壓鑄模具需要經(jīng)受住液體金屬的反復(fù)沖擊。在實際生產(chǎn)中，由于鋁合金壓鑄模具存在著造價成本較高、生產(chǎn)周期長，且過早失效等問題會大大縮短使用壽命等問題。一旦鋁合金壓鑄模具龜裂失效問題得不到有效解決，將會直接影響到生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟效益。為此，越來越多的鋁合金壓鑄生產(chǎn)企業(yè)加大了龜裂失效分析。以下內(nèi)容以H13鋼類熱作模具鋼為例，并結(jié)合實際生產(chǎn)過程，從鋁合金模具材質(zhì)、顯微組織與電火花加工等方面來對鋁合金壓鑄模具龜裂失效原因進行了相應(yīng)分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 鋁合金壓鑄模具龜裂失效原因分析

1.1 化學(xué)成分

從化學(xué)成分來看 H13 鋼類熱作模具鋼主要涵蓋了 C，Si，Mn，Mo，Cr，V 集中元素。從化學(xué)特征來看，H13 鋼類熱作模具鋼在材質(zhì)上屬于低 Si高 Mo型熱作模具鋼。在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)商會結(jié)合現(xiàn)實需要適度降低鋼中的 Si含量或者提升 Mo含量。通過降低 Si 含量可以有效減少偏析現(xiàn)象的發(fā)生，并進一步細化奧氏體晶粒、提升鋼的強度與韌性等。而提升 Mo 含量，則可以提升鋼的淬透性、回火抗力、抗熱烈能力。并有效防止鋼中析出晶界碳化物，以及轉(zhuǎn)化貝氏體等。通過實踐表明 ：低 Si高 Mo型鋼在凝固過程中會降低過冷現(xiàn)象發(fā)生的概率，進而有效防止發(fā)生樹枝晶、胞狀柱晶以及枝晶偏析等問題。Mo、V元素相互結(jié)合可以形成合金碳化物，如 VC、MoC與 Mo2C等。合金碳化物在適宜的高溫狀態(tài)下會以細小彌散的狀態(tài)析出，進而大力提升高溫材料的熱硬性。盡管從化學(xué)成分上，H13鋼類熱作模具鋼具有著較強的抗龜裂性，但是在實際操作過程中，我們發(fā)現(xiàn) H13鋼類熱作模具鋼出現(xiàn)了早起龜裂失效現(xiàn)象。為了更好地分析龜裂失效原因，就需要有效結(jié)合 H13鋼類熱作模具鋼顯微組織來進行進一步分析。

1.2 顯微組織

為了全面研究鋁合金壓鑄模具的顯微組織，此部分將真空淬火回火后未投入使用的模具材料以及使用后的模具材料作為研究對象，來分析鋁合金壓鑄模具的顯微組織，進而找出龜裂失效原因。

1.2.1 真空淬火回火后未投入使用的模具材料

通過實踐發(fā)現(xiàn)，研究對象經(jīng)過加熱處理后的基體上分布著不均勻組織。通過將研究對象放在低倍顯微鏡下觀察，我們發(fā)現(xiàn)，在基體上分布著大量析出的顆粒狀碳化物出現(xiàn)了偏析狀況，換而言之，相較于正常組織的碳化物，此部分的碳化物在體積上較大。由于碳化物與合金碳化物的過多析出，造成模具材料流失了大量的周圍碳與合金元素。在正常情況下，模具在接受淬火加熱時，發(fā)生偏析的碳化物不會輕易的溶解掉，但是，由于其缺乏碳與合金元素，使其在高溫加熱狀態(tài)下易變化為馬氏體組織，進而降低回火質(zhì)量，并大幅度降低鋼材的強度與韌性，使得剛才易出現(xiàn)斷裂。通過運用金相低倍顯微鏡觀察真空淬火前退火態(tài)的鋼材，我們發(fā)現(xiàn)鋼材基體同樣發(fā)生了偏析現(xiàn)象。此現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著鋼材原材料欠缺均勻性。且一旦偏析現(xiàn)象得不到有效處理，就會加大模具發(fā)生龜裂失效的風險，并影響到模具最終的使用年限。

1.2.2 使用后的模具材料

在實際生產(chǎn)中，一般 H13 鋼類熱作模具鋼模具在經(jīng)過三萬次左右的使用，就會在模具表面出現(xiàn)不同程度的龜裂現(xiàn)象，比如；發(fā)生沿晶斷裂、多條裂紋的交匯處在剝落后形成凹坑等。而造成此種現(xiàn)象的原因多是由于原材料存在著冶金缺陷等。

1.3 電火花加工

電火花加工是鋁合金壓鑄模具中常用的加工方式之一。相較于其他加工方法，此種加工方式在具體應(yīng)用過程中呈現(xiàn)出高加工精度、高自動化水平以及便于加工具有不規(guī)則形狀的零件等優(yōu)勢。盡管如此，加工時釋放的火花具有著高溫高壓特點，且工作液在閑置狀態(tài)下溫度會急劇下降，進而造成鋼材表面被劃分為熱重熔區(qū)與熱影響區(qū)。所謂的熱重熔區(qū)是指表層金屬被被放電時釋放的高溫所融化，由于熔液未被全部拋出，且滯留的熔液隨著工作液的冷卻而出現(xiàn)了凝固。熱重熔區(qū)多分布在鋼材表面的最上層。相較于熱重熔區(qū)，熱影響層地金屬材料在受到高溫燒灼后，并未發(fā)生熔化現(xiàn)象，只是材料的金相組織發(fā)生了相應(yīng)變化。通過大量實踐，我們發(fā)現(xiàn) ：熱模工序也會加重熱重熔區(qū)以及熱影響區(qū)內(nèi)模具龜裂失效風險。經(jīng)過電火花加工后的鋁合金壓鑄模具在通過煤氣爐烤模后，盡管模具的金相組織并不會發(fā)生相應(yīng)變化，但是熱重熔區(qū)卻會出現(xiàn)輕微的裂痕，且當裂痕延伸到熱影響區(qū)后，微裂紋范圍就會再次加大，進而加大了模具龜裂失效程度。

2 鋁合金壓鑄模具龜裂失效防范措施

2.1 加大鋁合金壓鑄模具原材料金相組織檢測抽樣數(shù)量

在實際生產(chǎn)過程中，很多生產(chǎn)企業(yè)為了加快生產(chǎn)進度，未對采購的原材料進行充分地金相組織檢測。為了減少鋁合金壓鑄模具發(fā)生龜裂失效，生產(chǎn)企業(yè)就需要增加退火態(tài)以及真空淬火回火態(tài)中原材料樣品的金相組織檢測數(shù)量，進而最大程度上保證模具材料符合現(xiàn)實生產(chǎn)需要。

在提取模具材料樣品時，生產(chǎn)者需要科學(xué)合理地選擇取樣位置。在鋁合金壓鑄模具取樣中，為了保證默認核心部分的完整性，并檢測出精準的模具原材料質(zhì)量，生產(chǎn)者一般會將澆口處作為取樣部位。

2.2 有效解決電火花加工造成的熱重熔區(qū)

電火花加工引起的熱重熔區(qū)，在硬度上較高，且脆性較大，在加工過程中極易出現(xiàn)微裂痕。尤其在火焰烤饃工序中，發(fā)生微裂痕的機率更大。為了避免出現(xiàn)鋁合金壓鑄模具龜裂失效，就需要科學(xué)合理地規(guī)避熱重熔區(qū)的出現(xiàn)。在電火花加工后，需要及時去除熱重熔區(qū)，并及時對模具進行回火，以此來大幅度消除影響層的殘余應(yīng)力。

2.3 有效避免早期龜裂失效現(xiàn)象

鋁合金壓鑄模具在早期發(fā)生龜裂失效，多是由于毛坯鍛打起鍛的溫度過高而導(dǎo)致。這種原因?qū)е碌凝斄咽且环N無法補救的缺陷。因此，在毛坯制作過程中，生產(chǎn)者需要嚴格把控起鍛溫度。在淬火加熱階段，也需要科學(xué)合理地安排加熱時間，進而有效把控加熱溫度，并防止脫碳情況的出現(xiàn)。在淬火冷卻階段，需要有效把可控冷卻時間，并爭取在最短的時間內(nèi)，以最快的速度完成淬火冷卻工序。對于冷卻水道而言，設(shè)計者需要將其與型面、轉(zhuǎn)角的間距保持足夠大，進而保證冷卻工序的順利進行。

2.4 對模具進行科學(xué)合理的熱處理

壓鑄模具原材料質(zhì)量，在很大程度上影響著鋁合金壓鑄模具使用壽命。因此，工作人員需要結(jié)合現(xiàn)實需要，選擇出適宜的壓鑄模具原材料。在工確定好鋁合金壓鑄模具原材料之后，需要及時地進行熱處理。同時，需要做好生產(chǎn)階段的去應(yīng)力工序，防止應(yīng)力集中，并做好 R 角控制工作。一般在鋁合金壓鑄模具使用了一萬模次左右時，就需要及時地進行回火去應(yīng)力，進而有效防止應(yīng)力集中導(dǎo)致模具出現(xiàn)龜裂失效現(xiàn)象。為了從整體上增加模具的使用時間，可以采用多次回火去應(yīng)力方式。

2.5 科學(xué)合理地把控鋁合金壓鑄模具生產(chǎn)過程中的溫度

鋁合金壓鑄模具的生產(chǎn)過程呈現(xiàn)了高溫高壓性。因此，科學(xué)合理地把控生產(chǎn)過程中的溫度就顯得尤為重要。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)者可以采用適宜的溫度計來計量壓鑄過程中的最高溫度，并采取有效控制措施，將溫度控制在 650 度以內(nèi)。

3 結(jié)語

總之，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋁合金壓鑄模具生產(chǎn)企業(yè)在數(shù)量以及生產(chǎn)規(guī)模上都得到了快速擴充。然而，由于鋁合金壓鑄模具生產(chǎn)成本投入較大，一旦生產(chǎn)質(zhì)量得不到有效保證，就會直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效益以及市場競爭力。在生產(chǎn)過程中，龜裂失效是鋁合金壓鑄模具常見的質(zhì)量問題。這不僅引起了生產(chǎn)商地廣泛重視，也得到了影響消費者的廣泛應(yīng)用。為此，加大鋁合金壓鑄模具龜裂失效研究力度就顯得尤為重要。以上內(nèi)容對鋁合金壓鑄模具龜裂失效原因進行了相應(yīng)分析，并在此基礎(chǔ)上提出了鋁合金壓鑄模具龜裂失效防范措施。希望可以給相關(guān)工作者帶來一定的借鑒參考價值，并促進我國鋁合金壓鑄模具事業(yè)獲得可持續(xù)性、快速、健康發(fā)展。