鋁合金壓鑄模具失效成因與改善措施

廖偉平

廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北武漢，430200

0 引言

鋁合金壓鑄模具是一種先進(jìn)的特殊鑄造工藝，它的材料利用率已經(jīng)達(dá)到1級以上，可以加工具有復(fù)雜形狀和低粗糙度的高精度金屬制品。鋁合金壓鑄模具具有高速、高壓、高溫等特點。所以，分析和研究壓鑄過程中出現(xiàn)的各種失效及其成因尤為重要。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料研究顯示，在不同的材料中，材料的失效比例包括：熱疲勞開裂的類型為60%～70%，塑性變形為15%～20%，崩塊和斷裂為15%～25%，熔損和沖蝕為5%～10%，另外還有模具脫模困難、鑄造質(zhì)量差等其他失效形式。與國外同類產(chǎn)品比較，我國鋁合金模具的使用壽命僅為世界領(lǐng)先水平的50%[1]。為此，我們應(yīng)積極開發(fā)新的材料，大力研發(fā)新的工藝，追趕世界先進(jìn)水平。下面對鋁合金壓鑄模具失效的表現(xiàn)及具體原因進(jìn)行了探討，并根據(jù)實際情況，提出了一些改進(jìn)措施，主要圍繞生產(chǎn)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝水平以及強(qiáng)化處理等方面具體展開。

1 模具的劃分及發(fā)展前景

模具是一種特殊的加工設(shè)備，是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)加工設(shè)備。利用外力把毛坯制成具有特定尺寸和外形的模具，不同的模具是由不同的部件組成的。進(jìn)入新世紀(jì)以后，我國模具行業(yè)的年均增速已達(dá)15%以上，特別是最近5年，已經(jīng)達(dá)到了20%以上。根據(jù)被加工的毛坯類型，可分為金屬、非金屬和其他特種模具。根據(jù)工藝，金屬模具分為：沖模、壓鑄模、鍛模、擠壓模。通常，金屬模具是由金屬材料制成的。在一些特定的條件下，需要用其他的材料，例如橡膠，或者用特別的工藝。根據(jù)加工技術(shù)的不同，非金屬模可分為塑料模、玻璃模、陶瓷模、粉末冶金模等。隨著技術(shù)水平的提高，壓鑄技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，而壓鑄模的作用也日益凸顯。

壓鑄工藝是將金屬加熱至熔化，在高壓下高速注入模腔，通過型芯、型腔合模，迅速冷卻、固化而得到鑄件。用于鑄造的模具，叫作鑄造模。壓鑄材料以鋁、鋅、銅等有色金屬為主，并可作鋼材。

模具的定模一般是固定在壓鑄機(jī)的定模固定板上，用直接流道與噴嘴或壓力腔相連，動模一般固定在動模的固定板上，用動模的固定板作為開、關(guān)模，關(guān)閉時形成模腔和澆鑄系統(tǒng)，在高溫、高壓的條件下對模腔進(jìn)行充填。在開模過程中，動模與定模分離，用推壓裝置把模推出來。有色金屬由于其高的塑性、高的流動性，在高溫、高壓的作用下，可以形成多種復(fù)雜的形態(tài)，有許多臺、筋等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有較高的尺寸精度和平滑的表面。金屬在熔融狀態(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[2]。

我國的壓鑄模歷來具有較大的市場和較低的勞動力成本優(yōu)勢。國內(nèi)的壓鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能及使用效果的要求越來越高。模具的使用效能是一個很大的指標(biāo)，不但會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，也會影響到生產(chǎn)的成本和效率。伴隨著模具行業(yè)的快速發(fā)展，高質(zhì)量、高效率、高性能模具的應(yīng)用越來越受到人們的重視。提高模具的工作效率，是延緩模具失效、找出故障的根源和解決方法，是提高模具使用效能的一個重要目標(biāo)?，F(xiàn)就鋁合金壓鑄模具的失效進(jìn)問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對其原因進(jìn)行了探討，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以促進(jìn)我國鋁合金壓鑄模具的實用功能提升，提高鋁合金壓鑄模具使用率。

2 鋁合金壓鑄模具的失效成因

認(rèn)識到模具有壓鑄模具、沖壓模具、擠出模具、鍛模、鍛造模具等不同類型，下面以鋁合金壓鑄模具為研究對象，研究合金壓鑄模具的失效成因，主要圍繞壓鑄模具的失效類型以及合金壓鑄模型失效的具體表現(xiàn)兩部分展開。

2.1 壓鑄模具的失效類型

2.1.1 熱疲勞龜裂損壞

在壓鑄模具工作中，模具型芯、型腔反復(fù)受到突冷和突熱的影響，型芯和型腔表面會因為熱疲勞而發(fā)生變形，并會產(chǎn)生反復(fù)的熱應(yīng)力，使模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，韌性下降，脆性增加。引起微裂紋的出現(xiàn)，并不斷擴(kuò)展，隨著裂縫的蔓延，大量的金屬液體涌入裂縫，再加上機(jī)械的壓力，裂縫的蔓延速度越來越快，壓鑄模具損毀嚴(yán)重。

2.1.2 碎裂

當(dāng)壓鑄模將熔化的合金壓入型腔時，會有壓力作用在型芯、型腔最脆弱的地方而產(chǎn)生微小的裂紋，對成形表面有刮痕、電加工痕跡的未處理部分尤其敏感，型芯和型腔的清根部位都會有細(xì)小裂紋出現(xiàn)，微細(xì)裂紋繼續(xù)增多時會造成模具關(guān)鍵部件破裂。

2.1.3 溶蝕

壓鑄模具型芯、型腔常用的材料為熱型模具鋼，其中鋅、鋁、鎂等為活性金屬，對模具材料具有良好的親和性，鋁具有更好的親和性。模具型芯和型腔材料的硬度越高，對有色金屬的耐蝕性能越好，而在成形的金屬上如果存在軟點，抗腐蝕性能就會降低。而且不同的材料，其熔點也不一樣，經(jīng)常會出現(xiàn)互相溶蝕的現(xiàn)象。根據(jù)實際情況和觀察，壓鑄模具的破壞形式主要有斷裂、彎曲、型腔塑性變形等。

2.2 鋁合金壓鑄模具失效的具體表現(xiàn)

2.2.1 鋁合金壓鑄模具介紹

由于模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加上熱疲勞的影響因素很多，所以在選用模具的加工材料時候一定要慎重。壓鑄模是一種用于高壓成形的金屬制品，它的工作時間長，工作溫度高，交變應(yīng)力大。除了自身具備的特性外，它還要求模具鋼具應(yīng)具備優(yōu)良的耐熱性、耐寒性及耐熱疲勞特性。鋁合金模具采用3Cr2W8V工具鋼，其強(qiáng)度、硬度、耐冷熱疲勞性能良好，經(jīng)熱處理后硬度可達(dá)50HRC。不過，這種材料的柔韌度和可塑性都不高。工作溫度為620～690℃，鋁合金液壓腔的流速為42～180m/s，空腔壓力15～100MPa，保持5～20s，每次壓射間隔20～80s。在壓鑄模工作過程中，由于鋁合金高溫高速液不斷地撞擊、摩擦，從而使模具表面產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為避免在模塑表面上附著鋁合金液體，經(jīng)常在模塑表面涂覆防粘劑，造成成型面溫度劇烈波動。每一次脫模后，需要對模芯進(jìn)行冷卻，以保證模具的成型面在急熱和急冷的循環(huán)熱應(yīng)力[3]。

2.2.2 鋁合金壓鑄模具的失效形式及分析

鋁合金壓鑄模具使用壽命約為3萬件，其失效方式以熱疲勞裂紋為主。3Cr2W8V鋼的工作硬度在42～48HRC時表現(xiàn)出良好的工作性能，但超過50HRC后，裂紋會繼續(xù)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致模具核心斷裂。對鋁合金壓鑄模具進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，模具的芯部存在著較多的熱疲勞裂紋。由此可以看出，在受熱狀態(tài)下，模芯因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，其表面與芯部的溫度相差很大，從而影響到芯體的自由收縮。而在其中間位置，由于溫度高于合金的溫度，會產(chǎn)生塑性變形。模具打開后，對模具進(jìn)行噴水降溫。模具不斷地經(jīng)受著加熱——冷卻——再次加熱的溫度變化。在這個周期內(nèi)，由于塑性變形引起的疲勞開裂，導(dǎo)致了材料開裂。

2.2.3 鋁合金壓鑄模具失效的具體原因

通過以上探究，我們可以看出，鋁合金鑄造模具的斷裂有多種類型，主要有開裂、開裂、劈裂、磨損、沖刷等。造成這種現(xiàn)象的原因有：

（1）模具材料本身的缺點。鋁合金壓鑄模的材質(zhì)好壞對模具的壽命有很大的影響，其中夾雜是造成模具開裂的主要原因，夾雜顆粒越多，模具的疲勞強(qiáng)度就越低。在壓鑄過程中，由于模具在冷急熱交替的條件下，容易產(chǎn)生裂紋和斷裂。因此，在選擇模具的材質(zhì)時，應(yīng)充分考慮其冷熱穩(wěn)定性、抗冷熱疲勞、韌性等因素。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)將對壓鑄模的壽命產(chǎn)生直接的影響。如：①鑄造坡度不合理的設(shè)計會導(dǎo)致抽芯，模具打開后進(jìn)行取料時易產(chǎn)生劃痕；②鑄造工藝的不合理不僅會使鑄件的壁厚分布不均，而且還會使模具內(nèi)的橫斷面變薄，從而使模具出現(xiàn)早期開裂。

（3）殘余應(yīng)力作用。在模具工作環(huán)境比較苛刻的情況下，在鑄造過程中，由于金屬液體在模腔中的流動，模具內(nèi)部的空間有限，在模腔的凹角上會產(chǎn)生張力。隨著模具溫度不斷上升，模具內(nèi)的熱脹冷縮現(xiàn)象越來越明顯。在鑄件脫模后，對模具進(jìn)行冷卻，使其產(chǎn)生切向拉伸。模具受到內(nèi)外各方面的壓力作用，日積月累，使模具產(chǎn)生了裂縫，并且逐漸加深[4]。

（4）操作不規(guī)范。在實際生產(chǎn)中，操作不當(dāng)也會對壓鑄模的壽命造成很大的影響。比如：①未預(yù)熱或預(yù)熱溫度太高；太高的預(yù)熱溫度會影響鑄件材料的屈服強(qiáng)度，從而降低鑄件的耐熱疲勞性能；②模具涂料噴漆不均勻；③不能經(jīng)常維護(hù)模具；④不規(guī)范的裝配工藝。

3 鋁合金壓鑄模具失效的改善措施

結(jié)合鋁合金壓鑄模型失效原因，提出具體的改善建議。

3.1 使用H13鋼替代原有材質(zhì)

采用H13鋼代替3Cr2W8V鋼制作鋁合金壓鑄模具。3Cr2W8V鋼的優(yōu)勢很多，但也有一個很大的缺陷，那就是它含有大量的碳化物，高溫高壓條件下，韌性、塑性、熱導(dǎo)率、耐冷熱疲勞、耐腐蝕性能差。將3Cr2W8V鋼換成H13鋼，其碳、釩含量高，耐磨性能好，耐熱性能好。與3Cr2W8V鋼相比，中溫條件下，H13鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和韌性均優(yōu)于3Cr2W8V鋼。盡管回火抗性和熱穩(wěn)定性比3Cr2W8V鋼要差一些，但其冷熱疲勞性能明顯優(yōu)于3Cr2W8V鋼，使用壽命可延長2到10倍。

3.2 優(yōu)化壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過優(yōu)化鋁合金壓鑄模的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效延長其使用壽命。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采用下列特定的步驟：

①采用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，對鑄型中的溢流槽和內(nèi)澆口進(jìn)行優(yōu)化，以降低澆鑄過程中的沖蝕作用，從而延長模具的使用壽命。②為保證鑄件表面質(zhì)量，適當(dāng)增加內(nèi)澆口截面，從而使鑄件的流動速度得到改善。③在結(jié)構(gòu)上，要使模具的局部溫度升高，減少壓鑄變形，可以采用一體化溢流槽結(jié)構(gòu)，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。④在澆鑄模工作面上使用臺階狀的模具型芯，降低澆注模具上鋁液的附著力。⑤在鑄造結(jié)構(gòu)中使用雙芯的壓鑄模具，減少鋁液對長型芯體的沖擊和影響，并在脫模時不會損壞內(nèi)部孔洞，避免變形。⑥在模具容易產(chǎn)生裂縫的部位，可以采用嵌件結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)裂紋發(fā)生時，可以及時更換。此外，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮模具的精確性。在生產(chǎn)中，必須采取閉環(huán)控制，確保及時消除組裝尺寸鏈的累計錯誤[5]。

3.3 提升模具加工的工藝水平

對鋁合金壓鑄模進(jìn)行工藝優(yōu)化，可有效延長其使用壽命。該流程主要由四部分組成：①由于磨削過程中經(jīng)常會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致模腔表面出現(xiàn)裂紋。根據(jù)上述分析，為使模具失效最小化，最大限度地提高模具的使用壽命。在研磨過程中，應(yīng)該選擇具有充分冷卻和自銳性的砂輪。②采用H13鋼的硬態(tài)銑削措施，盡量達(dá)到與磨削工藝相近的表面粗糙程度，尋找其他方法來代替磨削加工，以盡量降低生產(chǎn)成本。③對經(jīng)過電加工的模具進(jìn)行噴丸處理，該方法能降低或消除殘余壓應(yīng)力，降低模具的熱疲勞開裂，提高模具的使用壽命。④切割過程中產(chǎn)生的大量脈沖能，使模具工作表面出現(xiàn)了裂縫。為防止因此原因?qū)е履＞叩臄嗔?，采用中脈寬、大電流峰值電流的加工工藝切割H13鋼，然后對其進(jìn)行精整處理，以減小脈沖功率[6]。

3.4 加強(qiáng)壓鑄模具的表面處理

表面強(qiáng)化可明顯改善鑄件的耐磨性和強(qiáng)度，從而延長熱裂紋的潛伏時間，避免熱裂紋的蔓延，達(dá)到延長模具壽命的目的。通過表面滲氮、滲碳等工藝，能有效降低鑄件的磨損，提高耐熱性。近幾年，為了延長模具的使用壽命，采用了熱噴涂、物理化學(xué)沉積法、PVD法和離子輔助噴涂技術(shù)。但是，僅靠一層涂料難以阻礙各種失效形式。因此，當(dāng)前眾多科研工作人員投身復(fù)合涂層系統(tǒng)的設(shè)計研究?，F(xiàn)在仍然有許多強(qiáng)化壓鑄模具表面的處理方式，我們在進(jìn)行實際生產(chǎn)的過程中，可以根據(jù)具體的條件，選用最經(jīng)濟(jì)、有效的工藝方法。

3.5 采用合理規(guī)范的熱處理工藝

合理、規(guī)范的熱處理工藝能有效延長模具的使用壽命。在采用壓鑄模前，先進(jìn)行去應(yīng)力，進(jìn)行一次退火，然后進(jìn)行淬火，這樣才能防止由于淬火引起的變形和裂紋。根據(jù)這一結(jié)果，模具的去應(yīng)力回火溫度應(yīng)比原回火溫度降低30～50℃，模具在5000～10000模次時進(jìn)行一次應(yīng)力回火，此后每一次回火間隔為15000～20000模次。在處理壓鑄模具的核心時，熱油先與型芯表面接觸，這樣可以改善模芯的強(qiáng)度和硬度。在熱油中多次翻動壓鑄模，可以提高和達(dá)到流傳熱效果。采用氮化法和碳氮法對模具進(jìn)行表面處理，可以防止模具的侵蝕。

4 結(jié)論

隨著“十四五”規(guī)劃和2035年國家發(fā)展戰(zhàn)略綱要的發(fā)布，我國的社會、經(jīng)濟(jì)將進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，社會的不斷發(fā)展也將帶動模具不斷進(jìn)行革新。與此同時，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的不斷融合，以及智能化制造、3.0產(chǎn)業(yè)的持續(xù)變革，使得模具技術(shù)向全球化、自動化、智能化、綠色制造方向發(fā)展，對模具的材質(zhì)、使用壽命提出了更高的要求。所以，我們要加速發(fā)展模具的原材料，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高加工技術(shù)，有針對性地進(jìn)行維修和防范，以提高模具的質(zhì)量和使用壽命。壓鑄技術(shù)是一種高效的非切削成形技術(shù)，其在國內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。對鋁合金壓鑄模的失效原因及改進(jìn)方法進(jìn)行了深入的探討，對于今后我國壓鑄工業(yè)的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)作用。