壓鑄模型芯失效分析及解決措施

衡斌

摘 要：模具壽命的高低是衡量模具質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。它不僅影響產(chǎn)品品質(zhì)，而且還影響成本和生產(chǎn)率。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，高質(zhì)量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的壽命已引起巨大的關(guān)注。提高模具的壽命就是減緩模具的失效，找到模具失效的原因和解決的方法，是提高模具壽命的重要目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：模具 壽命 型芯 熱處理

1 引言

模具，是現(xiàn)代制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備，屬于專用設(shè)備制造。在外力作用下使胚料成為有特定形狀和尺寸的工具。不同的模具由不同的零件構(gòu)成。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)模具行業(yè)一直以每年15%以上的增長(zhǎng)速度發(fā)展，也別是近五年來，增長(zhǎng)速度超過20%。模具一般按所加工胚料的不同分為三大類，即金屬模具、非金屬模具、其它特殊模具。金屬模具按工藝分為：沖壓模具、壓鑄模具、鍛模、擠出模具、鍛造模具等。非金屬模具按工藝分為：塑料成型模具，橡膠模具，玻璃模具，陶瓷模具，粉末冶金模具（聚四氟乙烯）等。隨著加工技術(shù)的不斷提高，壓鑄技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域使用，壓鑄模具作用也越來越突出。

壓鑄制造將金屬加熱到到熔融狀態(tài)，在高壓力作用，以高速度填充到模具型腔，通過型芯、型腔合模成型，快速冷卻凝固而獲得鑄件的一種方法。壓鑄制造使用的模具，稱為壓鑄模具。壓鑄的主要材料為鋁、鋅、銅等有色金屬，也可用于鋼件。壓鑄模具定模一般固定在壓鑄機(jī)定模固定板上，利用直澆道與噴嘴或壓室聯(lián)接，動(dòng)模一般固定在壓鑄機(jī)動(dòng)模固定板上，并隨動(dòng)模固定板作開合模，閉合時(shí)構(gòu)成型腔與澆鑄系統(tǒng)，熔融金屬在高速高壓下充滿型腔;開模時(shí)，動(dòng)模與定模分開，借助于設(shè)在動(dòng)模上的推出機(jī)構(gòu)將鑄件推出。

由于有色金屬具有較強(qiáng)的流動(dòng)性和可塑性，經(jīng)高溫高壓作用后，壓鑄件可以做出各種較復(fù)雜的形狀，有眾多臺(tái)、筋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尺寸精度高，光潔度好。因?yàn)榻饘僭谌廴跔顟B(tài)下成形，因此壓鑄模型芯、型腔需要采用耐高溫的材料制造。

我國(guó)壓鑄模具一直以來的優(yōu)勢(shì)主要是擁有廣闊市場(chǎng)以及相對(duì)低廉勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，與國(guó)際壓鑄模具相比占據(jù)著較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，以此形式發(fā)展來看，我國(guó)壓鑄行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。隨著與國(guó)際接軌，國(guó)際市場(chǎng)也對(duì)我國(guó)壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能、特別是使用壽命等提出了更高的要求。模具使用壽命的高低是衡量模具質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。它不僅影響產(chǎn)品品質(zhì)，而且還影響成本和生產(chǎn)率。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，高質(zhì)量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的壽命已引起巨大的關(guān)注。提高模具的壽命就是減緩模具的失效，找到模具失效的原因和解決的方法，是提高模具壽命的重要目標(biāo)。

2 壓鑄模具失效的分類

壓鑄模具的壽命主要受熔融狀態(tài)的合金溫度的影響。失效主要有形式：

2.1 熱疲勞龜裂損壞

壓鑄模具在工作時(shí)，模具型芯、型腔反復(fù)受突冷突熱的作用，型芯、型腔表面與其內(nèi)部因熱疲勞產(chǎn)生變形，相互影響而出現(xiàn)不斷反復(fù)循環(huán)的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)損傷和喪失韌性，脆性升高。引起微裂紋的出現(xiàn)，并不斷繼續(xù)擴(kuò)展，一旦裂紋繼續(xù)擴(kuò)大，還有熔融的高溫金屬液不斷沖入，加上反復(fù)的機(jī)械應(yīng)力都使裂紋加速擴(kuò)展。

2.2 碎裂

壓鑄模具在壓送熔融合金進(jìn)入型腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓射力，從而致使型芯、型腔的最薄弱處滋生微裂紋，對(duì)于成型面存在劃痕或電加工痕跡未被處理地方尤為敏感，型芯、型腔的清根處均會(huì)先生出微細(xì)裂紋，當(dāng)微細(xì)裂紋不斷增加時(shí)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致模具關(guān)鍵部件斷裂。

2.3 溶蝕

壓鑄模具型芯、型腔常用到的材質(zhì)是熱作模具鋼，壓鑄成型的材質(zhì)主要是各類有色金屬合金和純鋁壓鑄，有色金屬合金中鋅、鋁、鎂等都是較活潑的金屬元素，它們與模具材料有較強(qiáng)的親和力，鋁的親和力更強(qiáng)。當(dāng)模具型芯、型腔材料硬度較高時(shí)，則與有色金屬的抗蝕性較好，若成型金屬表面如有軟點(diǎn)，則抗蝕性下降。另外各種材質(zhì)它的熔點(diǎn)都不盡相同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)互相溶蝕的現(xiàn)象。

依據(jù)壓鑄實(shí)踐和觀測(cè)分析，壓鑄模具型芯失效的形式有折斷、彎曲變形、粘合等。

3 型芯失效分析

3.1 折斷

壓鑄模員的型芯，有的為了使鑄件形成個(gè)穿透的孔，同時(shí)為了減少濤件毛刺的清理工作量在合樓時(shí)，型芯頂端距模典型腔面的距高般很小，壓射時(shí)，由于壓射力的作用，很容易使型芯項(xiàng)端與型腔表面緊密接觸并且在型芯中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。再加上在充型時(shí)高速流動(dòng)的金屬液沖擊型芯，對(duì)型芯產(chǎn)生沖擊力，如果此時(shí)型芯的韌性差，就容易折斷。壓射時(shí)，由于高速高壓的條件，細(xì)長(zhǎng)的型芯很容易被擠斷。為了保持細(xì)長(zhǎng)的型芯所形成的孔不偏位往往要求其具有較高的硬度值。型芯高的硬度，韌性必定差，當(dāng)碰到外物或者修模時(shí)的敲擊，極容易受到損害，并在以后的循環(huán)壓鑄生產(chǎn)過程中突然折斷。

3.2 彎曲變形

型芯的彎曲變形失效是較長(zhǎng)型芯普遍的一種失效形式。由于大部分的型芯都是單端定位的形式，在熔融狀態(tài)的金屬液高溫高壓的沖擊下，不可避免地產(chǎn)生彎曲。

3.3 粘合

由于鋁和鐵在高溫下的親和性，合金液在高溫下與鐵基材料接觸，形成一對(duì)擴(kuò)散偶，合金液與鐵基材料互相擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果是在模具材料上形成一過渡層，該過渡層上極容易粘附鋁，導(dǎo)致發(fā)生粘模。這樣鑄件在脫?；蛘弑煌瞥龅臅r(shí)勢(shì)必拉傷鑄件表面從而使鑄件報(bào)廢。所以說粘模在壓鑄模具失效分析中是個(gè)不可回避的問題。

4 以鋁合金壓鑄模型芯為例

鋁合金壓鑄模型芯采用合金工具鋼3Cr2W8V鋼制造，3Cr2W8V鋼在高溫下有有較高的強(qiáng)度和硬度、耐冷熱疲勞性良好，且有較好的淬透性，經(jīng)熱處理后，硬度為50HRC左右。但其韌性和塑性較差。工作溫度為620℃-690℃左右，鋁合金液壓入型腔的速度為42～180m/s，壓力為15—100MPa，保壓時(shí)間為5～20s，每次壓射間隔時(shí)間為20～80s。壓鑄模具工作時(shí)，模具成形表面受高溫、高速鋁合金液的反復(fù)沖擊和摩擦，隨之會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為了防止模具成型表面粘附鋁合金液，必須頻繁給成型表面涂抹防粘附涂料，從而容易引起成形表面溫度的急劇波動(dòng)。每次脫模后需對(duì)型芯表面冷卻處理，使模具成形表面受急熱急冷的循環(huán)熱應(yīng)力。

鋁合金壓鑄模型芯的失效形式及分析

鋁合金壓鑄模的壽命在3萬件左右，失效形式主要為熱疲勞龜裂。3Cr2W8V鋼的最佳工作硬度為42～48HRC，硬度高于50HRC時(shí)，韌性降低導(dǎo)致裂紋源的不斷擴(kuò)展，造成模具型芯開裂。根據(jù)觀測(cè)，鋁合金壓鑄模型芯的熱疲勞裂紋主要產(chǎn)生在型芯端面的中心部位。從而推斷在加熱條件下工作的型芯，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，會(huì)使表層和心部形成較大的溫差，型芯自由伸縮受阻，在其中心部位因產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過了合金材料高溫下的屈服強(qiáng)度從而發(fā)生塑性應(yīng)變。開模后給型芯表面噴水冷卻。模具反復(fù)經(jīng)歷受熱-冷卻-再受熱的溫度變動(dòng)。在此循環(huán)過程中，塑性應(yīng)變導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋，從而使材料發(fā)生龜裂。

5 解決和防止模具型芯熱疲勞龜裂的措施

5.1 定期對(duì)模具型芯進(jìn)行回火處理

熱應(yīng)力是導(dǎo)致型芯龜裂的主要原因之一。模具在生產(chǎn)一個(gè)周期內(nèi)，熱應(yīng)力的不斷積累，達(dá)到一定程度后就會(huì)致使型芯產(chǎn)生龜裂。為了減少熱應(yīng)力的影響，模具開模生產(chǎn)一定數(shù)量后應(yīng)對(duì)型芯進(jìn)行回火處理，這樣可以消除熱應(yīng)力積累。按經(jīng)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)：開模不超過2000次進(jìn)行第一次回火熱處理，開模不超過10000次進(jìn)行第二次回火熱處理，開模不超過30000次進(jìn)行第三次回火熱處理?？墒鼓＞邏勖岣?～2倍。

5.2 采用改變應(yīng)力性質(zhì)的處理工藝

對(duì)型芯、型腔進(jìn)行表面激光噴丸處理能起到有效的表面微動(dòng)防護(hù)，使型芯、型腔表層冷作硬化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。冷作硬化能起到增加其強(qiáng)度的作用，殘余壓應(yīng)力可以消除因開合模帶來的拉應(yīng)力。激光噴丸處理就是將超短脈沖激光束通過高速高壓噴射到零件表面，使零件表層發(fā)生塑性變形，同時(shí)由于表面產(chǎn)生塑性變形保護(hù)表層下的彈性變形層難以恢復(fù)，并使表層內(nèi)形成一定的殘余壓應(yīng)力。從而提高零件的疲勞強(qiáng)度，使模具壽命得到提高。

5.2 切除加固

對(duì)型芯心部已產(chǎn)生的熱疲勞龜裂，可將產(chǎn)生龜裂裂紋的心部手動(dòng)切除，專門加工一個(gè)鑲件放入心部裂紋切除的位置，并用螺釘進(jìn)行加固，從而保證型芯滿足繼續(xù)使用的要求，實(shí)現(xiàn)模具壽命的提高。

5.3 采取減小溫差的工藝措施

減小模具溫差可以降低熔融鋁合金液忽冷忽熱對(duì)型芯的影響。在生產(chǎn)前應(yīng)對(duì)壓鑄模具進(jìn)行充分預(yù)熱的操作，可以提高模具型芯的韌性，保證其達(dá)到較好的熱平衡和良好的流動(dòng)性，促使成型件凝固速度均勻并有利于壓力傳遞，起到提高成型件表面質(zhì)量的作用。鋁合金壓鑄模的預(yù)熱溫度由100-130℃提高至180-200℃，模具壽命可大幅度提高。

5.4 使用H13替代

用H13鋼替代3Cr2W8V鋼制造鋁合金壓鑄模。3Cr2W8V優(yōu)點(diǎn)很多，但是缺點(diǎn)也明顯，因?yàn)楹休^多的碳化物形成元素，所以導(dǎo)致偏析嚴(yán)重，在高溫高壓作用下韌性、塑性、導(dǎo)熱性、抗冷熱疲勞性能和抗溶蝕性較差。采用H13鋼替代，該鋼具有較高含量的碳和釩，耐磨性好，具有良好的耐熱性。相較于3Cr2W8V鋼，在中溫情況下強(qiáng)度和硬度較好，耐磨性和韌性較高，雖然回火抗力及熱穩(wěn)定性稍遜于3Cr2W8V鋼，但冷熱疲勞抗力較3Cr2W8V鋼要高得多，模具壽命可提高2～10倍。

6 結(jié)語

隨著國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的發(fā)布，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)井噴期。社會(huì)的不斷發(fā)展也將帶動(dòng)模具工業(yè)的不斷創(chuàng)新。隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)的不斷融合，智能制造、工業(yè)3.0的不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，模具技術(shù)也在向全球化、自動(dòng)化、智能化、綠色制造方向發(fā)展。對(duì)模具材料、壽命的要求也越來越高。加快壓鑄模具材料的研究，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案，查明模具失效的原理，對(duì)失效的原因做出判斷，采取有針對(duì)性維護(hù)和預(yù)防措施，從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)模具質(zhì)量，達(dá)到延長(zhǎng)使用模具壽命的目的，是十分緊迫的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙建偉.鋁合金壓鑄模具龜裂失效分析.中國(guó)金屬通報(bào)，2020，（01）.

[2]張露，鄧凌曲.鋁合金壓鑄模具龜裂失效分析.金屬加工（熱加工），2014，（S2）.