压铸模具的失效形式及提高其使用寿命的途径

    摘要：分析了压铸模具在压铸过程中的几种失效形式和主要影响因素，从压铸模的合理设计、压铸模材料的合理选用、正确运用热处理技术、压铸模的表面强化技术和压铸模的正确使用、维护等方面探讨了提高压铸模寿命的途径。

    关键词：压铸模具；失效；使用寿命

    1 引言

    近年来压铸生产的迅速发展，为汽车、摩托车的大量零部件提供了一种经济、高效的生产方式。如何提高压铸模的使用寿命，历来是人们所关心的问题。压铸模寿命短不但增加产品的成本，而且严重影响生产，成为生产上急待解决的关键问题。

    2 压铸压铸模的失效形式

    2.1 热疲劳裂纹

    热疲劳裂纹是压铸压铸模最常见的失效形式，占压铸模失效的60％~70％。由于压铸过程中压铸模反复经受急冷、急热所造成的热应力，导致在压铸模型腔表面或内部热应力集中处逐渐产生微裂纹，其形貌多数呈现网状，又称龟裂，也有呈放射状。这些在压铸模表面浅层中的微裂纹，一般可以修复掉，如果热疲劳裂纹深入基体内部，修模会导致压铸模尺寸超差，或者由于压铸过程中循环次数的增加，热应力使热疲劳裂纹继续扩展成宏观裂纹，从而导致压铸模的失效。热疲劳裂纹是热循环应力、拉伸应力和塑性应变共同作用而产生的。塑性应变促进裂纹的形成，拉伸应力促进裂纹的扩展与延伸。因此降低温度循环幅、增加压铸模材料强韧性、形成表面压应力，均可推迟或延缓热疲劳裂纹的形成及扩展，从微观分析，热疲劳裂纹往往在晶界碳化物、夹杂物集中区萌生，因此钢质洁净、显微组织均匀的优质热作模具钢有较高的热疲劳抗力。

    2.2 整体脆性开裂

    整体脆性开裂是由于偶然的机械过载或热过载而导致压铸模灾难性断裂。材料断裂时所达到的应力值一般都远低于材料的理论强度，由于微裂纹的存在，受力后将引起应力集中，使裂纹尖端处的应力比平均应力高得多。压铸模脆性开裂引起的原因很多，诸如压铸操作失常引起的机械过载、热冲击，压铸模设计不合理产生应力集中等等。材料的塑韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。模具钢中夹杂物的减少，韧性将明显提高。在实际生产中，整体脆断的情况较少发生。

    2.3 溶蚀或冲蚀

    熔融的金属液以高压、高速进入型腔，对压铸模成形零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀，高温使压铸模硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损。此外在填充过程中，高温金属液中杂质和熔渣对压铸模成形表面会产生复杂的化学作用，产生化学腐蚀，熔融金属液逸出气泡使型腔发生气蚀，这些机械和化学磨损综合作用的结果都在加速表面的腐蚀和裂纹的产生。提高压铸模材料的高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗侵蚀能力。

    3 提高压铸模寿命的方法

    3.1 压铸件结构设计要合理

    铸件壁厚设计应尽量均匀，避免产生热节和结构应力变型，并减少局部热量集中；在满足结构强度的前提下应尽量采用薄壁结构；铸件的转角处应有适当的铸造圆角以避免在压铸模相应部位形成棱角，使该处产生裂纹和塌陷，同时也有利于改善填充条件；铸件上应尽量避免出现窄而深的凹穴等，以免压铸模的相应部位出现窄而高的凸台，使散热条件恶化，并因受冲击而弯曲、断裂。铸件设计应考虑压铸模结构工艺与制造工艺的可行性与合理性。

    3.2 压铸模的设计要正确

    压铸模是根据压铸件的形状结构来设计的，压铸模的各种参数和零件形位公差的计算选取要准确，压铸模组成构件要有足够的刚度以承受锁模力和金属液充填时的反压力。设计浇注系统时应使熔化金属能平稳自由流入型腔。要尽量防止金属液正面冲击或冲刷型芯，减少浇口流入处受到冲蚀。浇注系统设计冷却水通道系统应保证整个压铸模型腔表面的温度能均匀一致，且通道光滑和平整，多型腔压铸模中各浇道的长度、截面积、浇口和溢流口位置应相同。在成型压力与填充速度得以保障情况下，适当增大内浇口截面积会提高压铸模使用寿命。镶块的组合形式要能适应热处理的要求，易损部位处宜采用局部镶拼法以便更换等。

    3.3 合理选取压铸模材料

    目前，用于压铸模的热作模具钢主要有铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢三类，其中使用最多的是3Cr2W8V钢和H13钢(4Cr5MoSiV1)。3Cr2W8V钢是老牌热作模具钢，有7O多年使用历史，国产压铸模使用较多。这是一种含钨量高达8%的热作模具钢，其回火抗力较高，热强度和高温耐腐蚀性较好，但其韧性、热疲劳抗力、抗氧化性均较差，热膨胀率较大，难以适应现代压铸机的高温高压、快速温度循环的工作条件，因而在国外已趋淘汰；国外压铸模多用H13钢，这是美国研制的以合金元素铬为主的热作模具钢，它有良好的韧性、热疲劳抗力和抗氧化性，经过适当的表面处理后，其使用寿命可达到相当高的水平，现已成为成熟的压铸模具钢获得广泛应用，国外90%以上的压铸型腔模都是由H13钢制造。我们应加速推广H13钢优质压铸模材料的使用，并进一步加强压铸模材料的研究开发，在对国外优质压铸模材料消化吸收的基础上，开发出适合我国国情的优质压铸模具钢。

    压铸模钢的材质控制至关重要，制造压铸模的H13钢必须是钢质洁净，组织均匀，偏析轻微，等向性好的优质钢。目前国内已能商品化生产H13钢，但在同样的压铸模设计及压铸条件下进口压铸模寿命远高于国产压铸模，这是由于国外优质H13钢的生产过程中采用了一系列先进工艺技术，如通过真空除气、电渣重熔等精炼技术提高洁净度，再通过多向轧制或反复墩锻及采用超细化处理技术，使H13钢具有优良的内在质量。优质H13钢的生产是使用上述先进工艺技术的组合，采用单一技术，倒如电渣重熔的H13钢，虽可有低的杂质含量，但不能达到优质钢的全面质量指标。因此运用先进冶炼工艺提供更多的高纯度压铸模具钢，是国内今后努力的方向之一。

    3.4 正确的热处理工艺和表面强化处理技术

    热处理质量对压铸模使用寿命起十分重要的作用。在热处理时应注意以下几点：(1)锻件在未冷至室温时应进行球化退火。(2)粗加工后、半精加工前，增设调质处理，并于精加工前，安排去应力回火。(3)淬火时注意钢的临界点Ac1和Ac3及保温时间，防止奥氏体粗化。回火时按20mm／h保温，成型零件淬火后应采用多次的回火。为尽量减少热应力，压铸模在加热到淬火温度前必须进行分级多次预热。(4) 热处理时应注意防止型腔表面的脱碳，采用真空或保护气体热处理，可以减少脱碳、氧化、变形和开裂。

    采用表面强化技术提高压铸模表层的强度、耐磨性及耐蚀性，可以延长热裂纹萌生的孕育期， 阻止热裂纹的扩展， 由此提高压铸模的热疲劳寿命。目前最常用的是表面渗氮强化技术，氮化使压铸模表面产生较硬的氮化层，此氮化層有很好的耐磨性和耐腐蚀性，能提高压铸模的耐热疲劳强度和降低摩擦系数，提高压铸模寿命，一般采用离子氮化或气体氮化。

    3.5 合理维护使用压铸模

    生产前进行压铸模预热工作，有助于减少压铸模表面和熔融金属之间的温度差，降低型腔表层温度梯度和热应力，压铸模经受热冲击的危险性也随之变小。预热也可以增加压铸模材料的韧性。生产过程中，压铸模温度逐步升高，当温度过热时，会造成铸件产生缺陷、粘模或活动机构失灵。降低模温时需注意冷却温度适宜，压铸模冷却剂需加热到5O℃后再使用，这样可以减少热裂。压铸模一般均应设置冷却通道，通进适量的冷却水以控制压铸模生产过程的温度变化。最好使用压铸模温控系统，使压铸模在生产过程中保持在适当的工作温度范围内，压铸模寿命可以大大延长。

    经常保养可以使压铸模保持良好的使用状态。新压铸模在试模后，无论试模合格与否，均应在压铸模未冷却至室温的情况下，进行去应力回火。压铸模使用一段时间后应作除应力处理，采用比压铸模回火温度低30～5O℃的温度保温2h进行除应力回火，以防止压铸模长期受复杂应力相互作用而产生迭加导致压铸模扭曲变形，甚至开裂。

    4 结束语

    现代压铸生产向高压、高速方向发展，对压铸模寿命提出了越来越高的要求，要提高压铸模寿命，首先应分析压铸模的失效形式，然后针对失效形式确定提高压铸模寿命的措施。实践证明，合理设计压铸模结构及形状、正确选择压铸模材料、采用恰当的热处理工艺及表面强化处理、使压铸模在正常的工作条件下工作等措施，均能提高压铸模寿命。

    参考文献

    [1]余心宏，董秋月，祁海军．压铸模型腔龟裂失效．模具技术，1998，2.

    [2]兰杰,贺俊杰,丁文江.铝压铸模具的失效形式及材料进展[J].机械工程材料，1999，6.

    [3]续维.模具钢材料对压铸模寿命的影响[J].五钢科技,2001,2.

    作者简介：赖华清，男，1964—。常州信息职业技术学院机电工程系，副教授，研究方向：铸造合金熔炼，模具设计与制造。