鋁合金壓鑄模零件服役開裂失效分析

劉仲仁，唐勝峰，高國利，袁 林，賈宇霖，趙建剛

（廣東銀寶山新科技有限公司，廣東 東莞 523475）

0 引言

鋁合金壓鑄模零件材料常采用熱作模具鋼H13系列，以8407和國產(chǎn)H13 為主。鋁合金壓鑄模零件在急冷急熱（60～550 ℃）、高壓受力（70～100 MPa）循環(huán)往復(fù)熱力耦合的工況條件下服役，其服役初期模具零件表面一般表現(xiàn)為輕微龜裂紋及熱蝕點等表征[1]，如圖1 所示，該表征一般對模具繼續(xù)使用影響不大，可以通過去應(yīng)力回火降低模具零件內(nèi)的應(yīng)力積聚[2]，改善和延長模具的使用壽命。在服役初期階段模具零件也常出現(xiàn)大貫穿的開裂，造成模具報廢，工程人員會從模具零件材料、強度設(shè)計、殘余應(yīng)力等方面分析，但有時無法找到問題出現(xiàn)的原因，為揭示該現(xiàn)象的原因，對1副服役2 000模次出現(xiàn)大貫穿開裂的鋁合金壓鑄模零件鋼材進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模具溫度因素引起的應(yīng)力分布不均是鋁合金壓鑄模零件開裂的主要原因之一，為指導(dǎo)模具鋼材料選擇、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具制造工藝提供參考。

圖1 龜裂紋及熱蝕點

1 模具零件開裂表征

模具零件開裂表征如圖2 橢圓所示，1 塊采用8407 模具鋼材料的鋁合金壓鑄模零件在服役2 000模次后，出現(xiàn)大貫穿開裂，無法修復(fù)而導(dǎo)致其報廢。

圖2 貫穿裂紋

裂紋斷面光滑整齊，如圖3所示，斷面顏色由表面灰色向淺灰色變化，灰色主要集中在離表面30 mm 的區(qū)域內(nèi)，與淺灰色有明顯分界線，在灰色區(qū)域還可見白色鋁合金薄片（見圖3中圓圈處）。由裂紋斷面表征分析判斷，裂紋由表面向底部縱深演變。在逐步演變過程中，氧氣滲透進(jìn)裂紋尖端，在裂紋斷面上形成氧化層，氧化層尖端裂紋不斷向縱深擴散[3]。在壓鑄成型過程中液態(tài)合金鋁液不斷向裂紋內(nèi)滲透，附著在裂紋斷面上，最終在合力作用下將裂紋越擴越大，在離表面30 mm 位置突破了鋼材的屈服強度，模具零件發(fā)生整體崩裂形成淺灰色斷面區(qū)域。

圖3 裂紋斷面

2 材料檢測分析

2.1 材料成分及金相組織結(jié)構(gòu)檢測

在圖4 所示位置進(jìn)行取樣檢測，從材料成分和金相組織方面檢測分析材料是否合格，材料成分檢測結(jié)果如表1所示，符合8407材料的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 材料成分檢測結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 檢測取樣位置

金相組織檢測如圖5 所示，基體為板條狀馬氏體+片狀馬氏體+殘留奧氏體組織，同時存在局部帶狀組織缺陷引起開裂的可能[4]。

圖5 金相組織檢測

2.2 硬度檢測

模具零件按圖6 所示熱處理工藝進(jìn)行淬火處理，設(shè)計硬度為46～48 HRC。模具零件表面實測硬度在45～48 HRC，內(nèi)部實測硬度在47～50 HRC，內(nèi)部硬度比外部硬度平均高2 HRC。檢測結(jié)果表明，模具零件硬度不均勻，材料存在內(nèi)外組織不均勻引起開裂的可能[4]。

圖6 熱處理工藝

3 有限元分析

通過CAE 軟件對模具零件的受力、溫度分布、熱應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行模擬分析，可以對模具零件工況進(jìn)行提前預(yù)判，預(yù)判出現(xiàn)問題缺陷位置和問題演變趨勢，為指導(dǎo)模具設(shè)計及制造工藝提供參考。

3.1 受力及變形分析

受力變形趨勢如圖7 所示，模具零件受周期性循環(huán)變化壓力引起彈性變形，在模具成型一定數(shù)量零件后產(chǎn)生疲勞，最終發(fā)展為塑性變形，導(dǎo)致模具零件屈服開裂。

圖7 模具零件受力變形趨勢

最大極限變形值如圖8 所示，在鋁液溫度為680 ℃，模具溫度為200 ℃，鑄造壓力設(shè)置100 MPa的峰值條件下，CAE 軟件分析得到模具零件最大峰值變形量為0.437 4 mm，模具零件服役一段時間后具有疲勞開裂的可能。最大變形峰值出現(xiàn)在模具零件型腔壁區(qū)域，即開裂最先出現(xiàn)的區(qū)域，而實際模具零件開裂出現(xiàn)在流道區(qū)域及靠近流道區(qū)域的型腔壁區(qū)域，與CAE 軟件分析的結(jié)果不符，可以判斷該受力及變形引起的疲勞斷裂因素不是模具零件實際開裂的原因。

圖8 最大極限變形值

3.2 溫度因素及變形分析

在壓鑄成型過程中，模具型腔溫度呈周期性循環(huán)變化（200～471 ℃），如圖9 所示，流道區(qū)域維持較高溫度。由溫度因素引起模具零件內(nèi)凹陷變形趨勢，CAE 軟件分析結(jié)果如圖10 所示，最大變形峰值為0.17 mm。

圖9 模具溫度分布趨勢

圖10 溫度因素引起變形趨勢

由溫度因素引起的熱應(yīng)力分布如圖11所示，從圖11分析結(jié)果可知，模具零件存在局部熱積引起的應(yīng)力集中區(qū)，形成應(yīng)力不均。應(yīng)力集中在拐角及尖角區(qū)域[5]，應(yīng)力分布與模具零件實際開裂位置一致，流道區(qū)域應(yīng)力大，開裂風(fēng)險高；模具零件型腔壁區(qū)域應(yīng)力小，開裂風(fēng)險低。最大應(yīng)力值約為1 139 MPa，接近于材料8407 的屈服強度δ0.2=1 250～1 600 MPa，表明模具零件由溫度因素引起的塑性變形導(dǎo)致開裂的可能性較大。

圖11 熱應(yīng)力分布

4 對比驗證

根據(jù)CAE 軟件分析結(jié)果，模具零件存在變形趨勢和應(yīng)力分布不均，有引起開裂的可能性，為了進(jìn)一步驗證，分別從模具零件材料及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計變更上進(jìn)行對比驗證。

4.1 不同材料對比驗證

分別采用P20材料和國產(chǎn)H13材料進(jìn)行相同的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行制作和服役工況的同位對比驗證。采用國產(chǎn)H13 材料的模具零件在服役1 500模次后，流道區(qū)域的中心推桿位置已經(jīng)開始出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)位置與原模具零件開裂位置相同，如圖12 所示，推斷原模具零件起始裂紋也出現(xiàn)在該位置。

圖12 國產(chǎn)H13模具零件裂紋起始位置

采用P20 材料的模具零件由于其屈服強度δ0.2=900～1 100 MPa，低于國產(chǎn)H13 材料及原模具零件8407材料，服役800模次后就有大面積裂紋產(chǎn)生，如圖13所示，裂紋出現(xiàn)區(qū)域與模流分析的熱應(yīng)力分布區(qū)域一致，在模具零件拐角和尖角特征上已出現(xiàn)裂紋。由此可見，由溫度引起的熱應(yīng)力分布不均是模具零件裂紋產(chǎn)生的主要因素之一，而模具零件表面的屈服強度是影響其裂紋產(chǎn)生的因素之一。模具零件表面的屈服強度低，抗熱疲勞的性能就低，易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生[6]。

圖13 P20材料模具零件裂紋位置與熱應(yīng)力分布對照

4.2 設(shè)計變更對比驗證

取消流道區(qū)域中心推桿設(shè)計，如圖14 所示，模具零件材料同樣使用國產(chǎn)H13，經(jīng)服役3 000模次后在模具零件拐角位置和其他推桿孔口部尖角處發(fā)現(xiàn)細(xì)裂紋，而取消的推桿位置處并沒有裂紋。由此可見，取消此位置的推桿也就規(guī)避了其口部尖角，避免了由口部尖角引發(fā)的裂紋。

圖14 取消推桿服役表現(xiàn)

5 結(jié)束語

由分析結(jié)果及對比驗證結(jié)果可知，原模具零件材料8407 開裂的主要原因之一是由于流道區(qū)域拐角和推桿孔口部尖角特征處熱應(yīng)力集中疊加，與平緩特征區(qū)域形成明顯熱應(yīng)力差，材料表面的熱應(yīng)力平衡被破壞，同時突破了材料表面所能承受的屈服強度極限，引發(fā)表面初始裂紋產(chǎn)生，繼續(xù)服役后裂紋氧化層尖端向內(nèi)部逐步擴散而造成整體崩裂。由此可見加大模具零件拐角和尖角特征的R角、規(guī)避各特征引起的熱應(yīng)力疊加等合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對改善模具零件因熱應(yīng)力集中造成的裂紋具有明顯的效果，是減少模具零件開裂情況的主要方法之一。