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如何提高壓鑄鋁合金模具的壽命一直是人們關(guān)心的問題，使壓鑄鋁合金模具的使用壽命縮短的失效形式很多，但其主要的失效形式為熱疲勞裂紋，即熱裂。本文就這個問題進(jìn)行了分析，導(dǎo)致鋁合金壓鑄模具出現(xiàn)熱裂的因素很多，如模具材料、模具設(shè)計、熱處理狀態(tài)及工作環(huán)境等，就對這些情況提出了相應(yīng)的改善措施。

1熱裂產(chǎn)生的原因及對模具的影響

1.1熱裂的形態(tài)

熱裂是模具最常見的失效形式，如圖1.1所示：

1.2熱裂的定義

熱裂是模具最常見的失效形式。熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處，當(dāng)裂紋形成后，應(yīng)力重新分布，裂紋發(fā)展到一定長度時，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛使裂紋停止擴(kuò)展，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋尖端附近出現(xiàn)一些小空洞并逐漸形成微裂紋，與開始形成的主裂紋合并，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最后裂紋間相互連接形 成網(wǎng)絡(luò)狀裂紋而導(dǎo)致模具失效。熱裂主要是材料熱應(yīng)力疲勞所引起，即材料在熱應(yīng)力的作用下，由于經(jīng)受反復(fù)或脈動應(yīng)變而產(chǎn)生的一種連續(xù)的、 局部的、永久性的組織變化。與熱裂相對應(yīng)的最 重要的材料性能是材料的抗熱疲勞性。迄今為止，衡量材料抗熱疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一。因此，如何用常規(guī)力學(xué)性能來反映抗熱疲勞性能就顯得較為重要。有資料表明，與抗熱疲勞性能有關(guān)的最重要的力學(xué)性能是材料的強(qiáng)度，另一種觀點則更傾向于材料的韌性。從熱疲勞試驗結(jié)果分析[1]，鋁壓鑄模具的熱疲勞裂紋中存在疲勞輝紋，并以彈性應(yīng)變?yōu)橹?，而且多?shù)模具的使用壽命在104~105次以上，具有高周疲勞的特性。根據(jù)疲勞強(qiáng)度理論，強(qiáng)度高的材料更能適應(yīng)長周期的彈性應(yīng)變，在這種情況下，抗熱疲勞性能與強(qiáng)度的聯(lián)系更為緊密。但是，如果型腔表面的工作溫度偏高(如壓鑄銅及鐵基合金等)或因其他因素使模具產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，從而使應(yīng)變幅度大大超過材料的彈性應(yīng)變范圍，應(yīng)變則以塑性應(yīng)變?yōu)橹?具有低周疲勞特性。此時韌性高的材料具有更大的優(yōu)勢。因此考核材料的熱疲勞性能時，應(yīng)注意區(qū)分材料的疲勞形式，并據(jù)此確定模具合適的強(qiáng)韌性配合。

1.3熱裂產(chǎn)生的原因

（1）模具材料的影響，模具鋼的晶界無共 晶碳化物夾雜，大塊狀的共晶碳化物和雜質(zhì)強(qiáng)度 極小，不能抵抗熱疲勞，降低了鋼材的塑性，是 熱裂發(fā)生的起源點，同時模具組織存在的成分偏析導(dǎo)致在相同奧氏體化溫度下,淬火后得到的馬 氏體組織粗細(xì)不均勻，這也是產(chǎn)熱裂的原因之一；

（2）模具的設(shè)計的影響，過小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面，以及孔、槽位置不合適等，很容易在模具熱處理和使用過程中引起過大的應(yīng)力集中而萌生裂紋，同時冷卻系統(tǒng)設(shè)計不合理，會使模具的冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱裂的產(chǎn)生；

（3）模具的制造的影響，制造模具的一般 用機(jī)械加工和電火花加工，機(jī)械加工的表面粗 糙度對模具熱疲勞性能有很大影響，模具型腔表面應(yīng)獲得較低的表面粗糙度值，不能留有刀痕、 劃傷和毛刺，這些缺陷會引起應(yīng)力集中，誘發(fā)熱疲勞裂紋萌；電火花加工后的型腔表面會產(chǎn)生出一個變質(zhì)層，這一層的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、韌性）等都發(fā)生了改變，變質(zhì)層又硬又脆，并有應(yīng)力和大量的微裂紋，會引起模具早期龜裂；

（4）模具的熱處理的影響，合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學(xué)性能，提高模具的使用壽命，但是如果因熱處理工藝設(shè)計不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命；熱處理后的模具要求一定的硬度，硬度偏低，易出現(xiàn)粘模和早期龜裂，如果硬度太高又可能開裂；過大的應(yīng)力集中而萌生裂紋，同時冷卻系統(tǒng)設(shè)計不合理，會使模具的冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱裂的產(chǎn)生；

（3）模具的制造的影響，制造模具的一般選用機(jī)械加工和電火花加工，機(jī)械加工的表面粗 糙度對模具熱疲勞性能有很大影響，模具型腔表 面應(yīng)獲得較低的表面粗糙度值，不能留有刀痕、劃傷和毛刺，這些缺陷會引起應(yīng)力集中，誘發(fā)熱疲勞裂紋萌；電火花加工后的型腔表面會產(chǎn)生出一個變質(zhì)層，這一層的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、韌性）等都發(fā)生了改變，變質(zhì)層又硬又脆，并有應(yīng)力和大量的微裂紋，會引起模具早期龜裂；

（4）模具的熱處理的影響，合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學(xué)性能，提高模具的使用壽命，但是如果因熱處理工藝設(shè)計不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具 的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命；熱處理后的模具要求一定的硬度，硬度偏低，易出現(xiàn)粘模和早期龜裂，如果硬度太高又可能開裂；

（5）壓鑄工藝的影響，高溫的鋁水傳遞給模具的熱量比較多，致使模具溫度比較高，當(dāng)鑄件取走后模具溫度就急劇下降，這樣就很容易產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象，出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象；充填速度過高會 造成粘模、沖蝕、龜裂；當(dāng)?shù)退賶荷渌俣容^高使 金屬液包裹較多的氣體時，氣體在高速壓射進(jìn)入型腔中的低壓區(qū)會膨脹，氣體膨脹產(chǎn)生爆破，氣體帶動鋁液以很高的速度沖擊、侵蝕型腔表面，造成型腔表面氣蝕缺損，被氣蝕的表面還會有裂紋產(chǎn)生；鋁液壓力的大小和受力方向?qū)δ＞啐斄训挠绊懸彩呛艽蟮?；脫模劑對模具激冷也會對模具產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象。

2如何防止模具熱裂現(xiàn)象

2.1模具材料的要求

為提高模具抗熱沖擊韌度，目前常用的H13鋼的化學(xué)成分純凈度要求為：優(yōu)級鋼Ｓ含量（質(zhì) 量分?jǐn)?shù)，下同）要小于0.005％；超級H13鋼要求Ｓ含量小于0.003％，Ｐ含量小于0.015％，同時要使用電渣重熔爐的精煉鋼，它不僅純凈度高，還具有組織致密、優(yōu)良的熱疲勞抗力、抗熱裂性好、優(yōu)良的韌性及塑性，優(yōu)良的拋光性、較好的異向同性等性能。鋼材的均一性要求材料的組織要均勻，鋼坯具備任意方向力學(xué)性能同性，不要有縱、橫、深方向的性能差異。正確選用模具材料，采用高強(qiáng)度合金材料可以提高模具使用壽命；

2.2模具設(shè)計要求

壓鑄件壁厚應(yīng)盡量均勻，棱角過渡要有圓角或斜坡以減小應(yīng)力集中，可使用筋條結(jié)構(gòu)消除鑄件形成的熱節(jié)；模具的易龜裂部位和易損傷部位盡量采取鑲件結(jié)構(gòu)，損壞后便于維修和更換；模具中各組件、各部位都具有足夠的厚度、寬度，使模具有足夠的剛性以承受各種應(yīng)力，還要使這些受力達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶?，以防止模具變形、開裂；正確設(shè)計澆注系統(tǒng)，設(shè)計內(nèi)澆口的位置和充填流向時，盡量防止高速充填的鋁水正面噴射沖擊到型壁或型芯，設(shè)計內(nèi)澆口截面大小時，如果選用的壓射充填速度太高，有大量的動能減速后轉(zhuǎn)變成熱能傳遞到模具上，使模具溫度升高，促使模具出現(xiàn)粘模、龜裂、沖蝕缺陷，壓鑄鋁水的最大充填速度不應(yīng)超過56m/s，充填速度以≤46 m/s為好，設(shè)計內(nèi)澆口的厚度時，在保證產(chǎn)品表面品質(zhì)的情況下，還是選用厚而大一點的內(nèi)澆口為好，這樣可以增加流量，又不增加對模具的沖擊力；在模具的橫澆道、分支澆道、內(nèi)澆口附近，在鑄件厚壁處的型腔、型芯等模具吸收熱量比較多的部位要通水冷卻；

2.3模具制造的要求

模具制造的尺寸精度和配合精度要高，密封接觸的配合面，必須密封配合，密封接觸的面積要大，防止鋁液鉆入，盡量避免人為因素造成的燒焊修補處理，因模具燒焊修補過的部位，很容易出現(xiàn)龜裂；電脈沖或線切割放電精細(xì)加工時，應(yīng)盡量采用低的電流及高的頻率，以減小模具表面的過燒深度，使用好的電火花專用油液，可以起到?jīng)_洗、冷卻、潤滑、絕緣、防電離和減輕變質(zhì)層的作用，放電時浸油比沖油能更好地減輕變質(zhì)層；模具型腔精加工時，走刀量要小，不要留下刀痕，必要時需留下打磨拋光的余量，模具型腔的所有表面，即使沒有留下加工刀痕的表面，都要進(jìn)行一次打磨拋光，用以消除刀具加工或放電加工產(chǎn)生的硬化層和白亮層；

2.4模具的熱處理要求

H13鋼采用高壓液氮氣冷高真空爐淬火為好，可以有效防止模具表面的脫碳、氧化、變形和開裂[2]，把淬火溫度升高到1000～1050℃，根據(jù)模塊材料的尺寸大小，和各個零部件要求的強(qiáng)度和韌性，適當(dāng)控制溫度和保溫時間，使合金碳化物充分溶入奧氏體，這樣可以減少模具因熱處理碳化物溶解不充分，殘留在晶界之間而造成的模具龜裂，但要注意鋼的臨界點Ac1和Ac3及保溫時間，防止奧氏體粗化[3]。淬火后用不同溫度分3次回火，特別注意回火的效果，如果還要進(jìn)行氮化處理，可以減少一次回火處理。模具加工時產(chǎn)生的切削應(yīng)力、電火花放電變質(zhì)層的應(yīng)力、和壓鑄時產(chǎn)生的熱疲勞應(yīng)力，可以通過退火來減輕或消除，模具應(yīng)定期退火處理消除應(yīng)力：第一次去應(yīng)力退火應(yīng)安排在淬火之前(退火溫度700～750℃)，第二次去應(yīng)力退火應(yīng)安排在試模合格后的量產(chǎn)之前，再在壓鑄1萬模、3萬模時各退火處理一次，氮化一次可以代替一次退火處理，對H13鋼退火消除應(yīng)力的溫度比淬火時最后一次回火的溫度低20～40℃，保溫時間為1.0～1.5h，合理選擇模具的硬度(HRC)，所以一般建議：中、小型的鋁合金壓鑄模為46～48；尺寸大的鋁合金鑄件和比較厚或形狀復(fù)雜件的模具，應(yīng)適當(dāng)降低硬度(HRC)為44～46；

2.5壓鑄工藝的要求

增加壓鑄鋁合金中的鐵含量，可以有效地減輕粘模程度，一般要求鋁合金的鐵含量≤1.5％，實際生產(chǎn)中鋁水的鐵含量控制0.65％～0.90％范圍內(nèi)為好；在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，應(yīng)盡量降低鋁水的澆注溫度；在滿足成形良好的條件下，盡可能選用較小的壓力，可以觀察殼形和圓形產(chǎn)品，在模具壓鑄幾萬模之后，在產(chǎn)品同一部位的外表面比內(nèi)表面龜裂紋大出很多，這說明在相同的條件之下，模具受到鋁液包裹擠壓與膨脹拉伸的力量方向不同，致使模具出現(xiàn)龜裂的缺陷大小相差很大；特別是在模具型腔的凹角處，拉伸和熱應(yīng)力都會集中在這里，凹角處會過早的出現(xiàn)龜裂和開裂裂紋；而在模具的凸角和型芯表面受到擠壓和熱沖擊力，雖然會出現(xiàn)粘模，但出現(xiàn)應(yīng)力集中情況很小，模具不容易出現(xiàn)龜裂，可見鋁液壓力的大小和受力方向?qū)δ＞啐斄训挠绊懯呛艽蟮?，有時為了配套不容易出現(xiàn)龜裂模塊的壽命，可以采用比較好的模具材料或熱處理的方法，來提高容易龜裂模塊的壽命。一般產(chǎn)品壓鑄開模后的2～3s時測量模具表面的溫度(或用熱電偶測量模具內(nèi)部溫度)應(yīng)不高于澆注的合金液溫度的40％ ～45％，即鋁合金模具溫度應(yīng)小于320℃，以200～280℃為好；合模時模具表面的溫度應(yīng)不低于合金澆注溫度的20％，一般以130～210℃為好；壓鑄鋁合金模具預(yù)熱至180～300℃再澆注壓射，比用鋁液直接澆注壓射來預(yù)熱模具，能延緩模具表面龜裂紋的出現(xiàn)，因為用鋁液直接澆注壓射來預(yù)熱模具，模具表面承受到的溫度差比較大，模具預(yù)熱后壓鑄的前10～20模鑄件，要使用低速壓射，以減小鋁液與模具接觸的緊密程度，降低熱量傳遞給模具的速度，達(dá)到緩慢加熱的目的；壓鑄操作時均勻噴涂脫模劑，可以減輕鋁液對模具的粘模和磨損，為了防止脫模劑對模具激冷，冬天對水基脫模劑要預(yù)熱20～30℃為好，噴脫模劑要形成霧狀，噴嘴應(yīng)距型面(20±10)cm，斜向模面角度150±50的效果最好，不可噴涂過多脫模劑，噴涂時間控制在0.5～2.5s之間，禁止噴灑、澆灌式的噴涂，以防對模具表面急速的激冷，可以采用動、定模多次交換噴涂的方法，以減小激冷的速度，另外，鑄件頂出后，要在頂桿頭部噴涂上涂料得到潤滑之后再退回，以防頂桿運動卡滯。

3結(jié)論

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，要提高壓鑄模壽命必須做好熱疲勞失效的防止。模具的熱裂不能完全控制，但是我們可以從原材料的選擇，選擇更優(yōu)質(zhì)的H13鋼，模具的設(shè)計時要合理設(shè)計模具的壁厚和其他尺寸，盡量采用鑲件，當(dāng)模具加工出來后，模具的熱處理一定要按工藝要求處理；模具在加工一段時間后也要定期進(jìn)行保養(yǎng)，防止出先熱疲勞現(xiàn)象累計，出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]吳玉道,王潔民.鋁壓鑄模具失效分析.機(jī)械工程材料, 1989

[2]董顯明.提高壓鑄模具使用壽命的有效途徑[J].特種鑄造及有色合金,2002

[3]吳春苗.壓鑄工藝與壓鑄模案例[M].廣州：廣東科技出版社，2007