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    壓鑄模具廠
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    鋁合金壓鑄模具疲勞失效分析研究

    2019-11-02

    壓鑄模具是指為了獲得零件的結構外形,預先用其他輕易成型的材料做成零件的結構外形,然后再在砂型中放入模具,于是砂型中就形成了一個和零件結構尺寸一樣的空腔,再在該空腔中澆注流動性液體,該液體冷卻凝固之后就能形成和模具外形結構完全一樣的零件。


    同時,壓鑄是一種節能、低價、高效的金屬成型方式,壓鑄件具有尺寸精度高,表面光潔,強度和硬度高的特點,一般不需要機械加工或稍加工便可使用,適合批量生產。但是在使用過程中,由于各種原因壓鑄模容易因疲勞而失效。本文結合鋁合金壓鑄模具疲勞失效的實際失效情況,總結分析了壓鑄模具的主要失效形式,系統地提出了分析壓鑄模具失效的方法和手段。從工程使用的角度提出了避免早期失效、提高模具壽命的方法。


    1. 緒論

    1.1. 引言

    鋁合金以其低密度高強度越來越多得到廣泛應用,經過對鋁合金化學成分的組成與優化,鋁合金的鑄造成型工藝、熱擠壓加工工藝和人工時效等工藝,使鋁合金的性能得到發揮,鋁合金壓鑄類產品主要用于電子、汽車、電機、家電和一些通訊行業,一些高性能、高精度、高韌性的優質鋁合金產品也被應用到大型飛機、船舶等技術要求比較高的行業中,但是其主要應用還是在一些機械零件中。


    鋁合金壓鑄工藝較其他鋁合金成型工藝有其自身的優勢:壓鑄范圍廣;尺寸精度高、穩定性好;表面粗糙度底;生產率高;金屬利用率高;鑄件強度和表面硬度高等。


    1.2. 鋁合金壓鑄模

    合金壓鑄又稱壓力鑄造。它是將固態金屬合金,如鋁合金、鋅合金、銅合金等加熱熔化成液態后,在壓鑄機的作用下,將熔融的合金以高壓、高速注入模具型腔內,并在高壓下冷凝成與模具型腔相符的制品零件。所使用的模具稱為合金壓鑄模。


    1.3. 鋁合金壓鑄模具疲勞失效分析的目的意義

    壓力鑄造工藝是一種高效益的少、無切削的金屬成型工藝。壓鑄生產是將液態金屬在高壓狀態下射入壓鑄模并冷卻凝固的生產過程。壓鑄件具有尺寸精度高、表面光潔度、強度和硬度好等特點。壓鑄模是壓鑄生產的關鍵,直接影響著壓鑄件的表面質量、尺寸精度、生產效率和經濟效益。鋁合金壓鑄模具經過一段時間后不可避免地要失效,其主要失效形式是熱疲勞、磨損、焊合、腐蝕和斷裂。目前我國壓鑄鋁合金模具在生產形狀復雜的大件時,疲勞試驗在6000~8000次,即在型腔表面出現疲勞裂紋,20000~30000次就會報廢,模具使用壽命大大低于國外壓鑄模具的使用壽命,增加了壓鑄生產成本,影響了我國壓鑄行業的競爭力。由于壓鑄模具的工作條件非常復雜,對于壓鑄模具表面裂紋的產生和發展,宏觀和微觀的力學行為的認識還不很清楚。對鋁合金壓鑄模具疲勞失效現象進行科學、公正和客觀的分析研究,有助于揭示和認識事物的本質,激發和加快科學技術的進步,有助于我國鋁合金壓鑄模具行業的快速發展。對壓鑄模進行失效分析,并針對失效原因進行相應的改進,可有效延長壓鑄模的使用壽命,對提高壓鑄件的加工質量和生產效率具有十分重要的意義,可提高壓鑄生產的經濟效益。


    1.4. 鋁合金壓鑄模具疲勞失效分析的背景

    隨著世界經濟產業結構的調整,先進的制造工藝已成為我國工業的發展方向之一。而制造業的基礎模具工業也隨之迅速得到發展。中國模具潛在的市場很大,近年來中國已迅速地發展成為模具制造大國,在世界模具制造業產值中,所占的比例逐年上升,模具材料的用量也逐年增長。工業技術不斷向前發展,對模具要求更苛刻、更高速的工況條件下工作。因此,國內外都在模具材料的研究和發展上做出了巨大的努力,也在這一方面取得了不少成果。制造模具及其零件的材料很多,如鋼,鑄鐵,非鐵合金及其合金、高溫合金、硬質合金、鋼結硬質合金、有機高分子材料、無機非金屬材料、天然或人造金剛石等。但其中鋁是用的Z多,應用范圍Z廣的材料。


    2. 鋁合金壓鑄模的組成

    壓鑄模一般由兩部分組成,及模架和工作部分。


    2.1. 模架部分

    模架由模體、導向零件和推出機構組成,它們的主要組成零件和作用是:


    2.1.1. 模體

    模體由動模底座、定模板、動模板、定模套及定位件和緊固件組成。模體部分是壓鑄模的基礎部分,壓鑄模所有部分都置于模體中。其中,定模板是固定定模于壓鑄機定模安裝板上的板類零件,定模套是增強定模鑲塊強度和剛度的板件。齒輪毛坯壓鑄模見圖1.


    2.1.2. 導向機構

    壓鑄模一般均設有導向機構。固定在定模套上的導柱與固定在動模套上的導套組成導向機構。在模具工作時,以定準動模和定模的相對位置。壓鑄模導套見圖2。


    2.1.3. 開模和卸料機構

    壓鑄模的開模和卸料機構主要有推桿、推管、復位桿、推桿固定板、推板、導套等組成。


    2.2. 工作部分

    工作部分由成型機構、澆注系統、抽芯機構、排溢系統和冷卻系統組成。他們的主要組成零件和作用是:


    2.2.1. 成型零件

    成型零件主要有定模、動模及型芯和定模型芯組成。其定模和動模為加工方便,也可做成嵌鑲結構。這些零件是模具的主題零件,鑄件在這些零件組成的型腔內成形。


    2.2.2. 澆注系統

    澆注系統零件主要由澆口套、分流錐等組成。澆注系統是連接壓室的通道。其中澆口是溶融合金的通道,而分流錐是使溶融合金合理分流并能平穩地改變流向的圓錐形零件。


    2.2.3. 抽芯機構

    抽芯機構由斜銷、滑塊、限位塊等零件組成。主要用來壓鑄制品零件的側面側孔、凸臺等形狀。


    阻礙壓鑄件從模具中沿著垂直于分型面方向取出的成型部分,都必須在開模前或開模過程中脫離壓鑄件。模具結構中,使這種阻礙壓鑄件脫模的成型部分,在開模動作完成前脫離壓鑄件的機構,稱為抽芯機構。抽芯機構分類如下:


    (1)斜導柱抽芯機構;其以壓鑄機的開模力作為抽芯力,結構簡單,對于中小型芯的抽芯使用較為普遍,用于抽出接近分型面抽芯力不太大的型芯,抽出方向一般要求與分型面平行。


    (2)彎銷抽芯機構;其用于抽出分型面垂直距離較遠的型芯,與斜銷相比較,相同截面的彎銷所能承受的抽芯力較大。


    (3)液壓抽芯機構;其可抽出與分型面成任何角度的型芯,抽芯力及抽芯距離都較大,普遍用于中大型模具,抽芯動作平穩,對壓鑄反力較小的活動型芯,可直接用抽芯力楔緊。


    3. 鋁合金壓鑄模具常見失效形式

    3.1. 熱裂

    熱裂是模具Z常見的失效形式[4]。熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內部熱應力集中處,當裂紋形成后,應力重新分布,裂紋發展到一定長度時,由于塑性應變而產生應力松弛使裂紋停止擴展。隨著循環次數的增加,裂紋尖端附近出現一些小孔洞并逐漸形成微裂紋,與開始形成的主裂紋合并,裂紋繼續擴展,Z后裂紋間相互連接而導致模具失效。


    3.2. 整體脆斷

    整體脆斷是由于偶然的機械過載或熱過載導致模具災難性斷裂。材料的塑韌性是與此現象相對應的Z重要的力學性能。材料中有嚴重缺陷或操作不當,會引起整體脆斷。


    3.3. 侵蝕或沖刷

    這是由于機械和化學腐蝕綜合作用的結果,熔融鋁合金高速射入型腔,造成型腔表面的機械磨蝕。同時,金屬鋁與模具材料生成脆性的鐵鋁化合物,成為熱裂紋新的萌生源。此外,鋁填充到裂紋之中與裂紋壁產生機械作用,并與熱應力疊加,加劇裂紋尖端的拉應力,從而加快了裂紋的擴展。提高材料的高溫強度和化學穩定性有利于增強材料的抗腐蝕能力。                            


    4. 壓鑄模具常見的失效分析方法

    為了延長模具的使用壽命,節約成本,提高生產效率,就必須研究模具的失效形式和導致模具失效的原因以及模具失效的內部機理。由于壓鑄模具失效的原因比較復雜,要從模具的設計、材料選擇、工作狀態等很多方面進行分析。


    4.1. 裂紋的表面形狀及裂紋擴展形貌分析

    失效模具型腔表面主要是沖蝕坑,大小比較均勻,冒口所對部位有明顯的沖蝕坑外,表面明顯具有一定方向的劃痕,劃痕上分布有大小不等的鋁合金塊狀物。由于正對澆口部位直接受金屬液的沖刷,該部位具有明顯的沖刷犁溝,同時可觀察到劃痕間有裂紋。裂紋從裂紋源出發,并向四周擴展。裂紋內有大量的夾雜物,裂紋邊緣有二次裂紋。由于模具使用時間短,一般部位表面主要是沖蝕坑和焊合,而澆口所對部位主要為液態金屬沖刷形成的犁溝和熱疲勞裂紋。


    由于高溫液態金屬的沖刷,模具型腔表面首先沖擊坑及犁溝,模具的表面表面變得凹凸不平,造成局部應力遠遠大于名義應力,產生應力集中的現象,這些部位是裂紋產生的危險部位。另外,分布在模具型腔表面的夾雜物,如氧化物、硫化物等,在熱循環過程中與基體脫離,直接成為熱疲勞裂紋。一方面夾雜物同集體的彈性模量不同,當熱應力及機制力作用時,在其周圍形成應力集中;另一方面在冷卻時夾雜物與基體有不同的熱收縮,造成鑲嵌應力,兩者疊加的結果,在夾雜物周圍產生很大的應力場。應力集中的結果使沖擊坑、犁溝及夾雜物成為疲勞裂紋的誘發核心和擴展優取向。


    4.2. 殘余應力分析

    壓鑄模具的殘余應力較為復雜,主要是在機械加工、電火花加工、熱處理及生產過程中熱沖擊產生的熱應力等原因產生。模具使用一定時間后,模具的表面的殘余應力為壓應力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴展方向還是垂直于裂紋的擴展方向,都受壓應力。型腔表面裂紋前端的殘余應力大于裂紋沿深度方向裂紋前端的殘余應力,模具的型腔表面溫度變化大,產生的熱應力的殘余應力要大,而且模具投入使用之前的機械加工和熱處理工程中模具表面產生的殘余應力要大于模具內部。由于液態金屬的沖刷,澆口所對部位的溫度要高于一般部位,殘余應力范圍是90MPa~420MPa。


    模具型腔表面殘余應力的存在對裂紋的擴展有一定的影響,殘余應力場中的裂紋擴展研究表明,殘余應力可以增加裂紋的閉合程度,減緩裂紋的擴展速率,模具型腔表面形成的殘余應力的大小及壓應力存在的深度對減弱模具熱疲勞裂紋的萌生和擴展有一定益處。


    模具經過一定時間使用后,模具表面的殘余應力應為壓應力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴展方向還是垂直于裂紋擴展方向都壓應力。所以在模具的使用過程中隔一段時間要進行清洗和維修。


    4.3. 模具失效綜合分析

    對失效的模具進行損傷處的外觀分析、斷口分析、金相分析、無損探傷等,了解模具損傷的種類,尋找模具損傷的根源,觀察損傷部位的表面形貌和幾何形狀、斷口的特征、模具的內部缺陷、金相組織的組成及特征,結合各部分的分析結果,綜合判斷模具的失效原因以及影響模具失效過程的各種因素。


    模具失效的原因一般有模具的工作環境、模具質量、操作人員的水平和經驗、生產管理制度等,其中Z主要的是模具的質量。因此,在分析模具失效原因的時候,應將重點放在主要影響模具質量的因素上面。


    在實際生產中,模具的工作條件和工作環境往往比較復雜,因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多種多樣的,對其進行失效分析的具體方法和步驟也各不相同。但只要掌握了模具失效分析的一般規律,充分利用已有的技術資料和分析手段對失效模具進行綜合分析,就能準確找出其失效原因。


    5. 鋁合金壓鑄模的設計要點

    5.1. 設計壓鑄模的基本要求

    (1)所設計的壓鑄模,經制造、裝配試模以后,所成批生產的壓鑄件,應達到產品圖樣所規定的尺寸精度及各項技術要求。


    (2)所設計的壓鑄模,在保證鑄件質量和生產安全的前提下,應采用合理、簡單、先進的結構,各部分動作要準確可靠、剛性良好。


    (3)模具各零件應宜于機械加工及熱處理。


    (4)模具選材與設計要按GB/T 8844-88《壓鑄模技術條件》要求。各零件要選用有關國家標準的標準件,以縮短設計和制造周期。


    5.2. 壓鑄模的設計程序

    (1)對產品零件圖進行工藝性分析。在設計模具前,根據零件所選用的合金種類,分析零件的形狀、結構、精度和各項技術指標,并確定機械加工部位、加工余量和機加工時的工藝措施以及定位基準等。


    (2)選定壓鑄件規格。根據產品零件形狀和大小,按本廠生產狀況,確定壓射比壓、計算鎖模力,選定所要設計的模具,采用哪臺壓鑄機,并估算其開模距離、開模力和推出力,選用壓鑄件所需的附件、工具等。


    (3)初步確定模具結構。根據所選用的壓鑄機型號及規格,初步確定模具結構,并選擇分型面和確定型腔的數量;選擇內澆口進口位置,確定澆注系統總體布置方案;確定抽芯數量,選定合理的抽芯方案;確定推出零件位置,選擇合理的推出方案;對帶嵌件的鑄件,要考慮嵌件裝夾和固定方式等。


    5.3. 模具的總體設計內容

    (1)按初步選定的模具結構,確定分型面、型腔布置、澆注系統,并相應考慮溢流槽和排氣槽的布置方案。


    (2)確定型芯的分布位置,尺寸及固定方法。


    (3)確定成型零件的鑲塊的拼鑲及固定方法。


    (4)確定抽芯方式,計算抽芯力和確定抽芯機構的尺寸。


    (5)確定推桿、復位桿的位置和尺寸。


    (6)布置冷卻和加熱管道的位置和尺寸。


    (7)確定動模和定模鑲塊,動模和定模套板的外形尺寸。


    5.4. 核對總體設計方案

    根據總體設計方案設計與計算的結果,應對其進一步進行核實、分析比較,使其更加完善,以提高模具設計的質量。


    在比較、核對時,應重點注意以下幾點:


    (1)所確定的總體設計方案,鑄件是否成形可靠,壓鑄后鑄件質量是否能滿足產品的各項技術要求。


    (2)所確定的模具結構是否簡單、先進、合理,動作是否準確可靠,維修是否方便。


    (3)所確定的模具結構,是否成本低。


    (4)所確定的模具結構,是否能充分發揮所選用壓鑄機的生產能力。


    6. 鋁合金壓鑄模疲勞失效分析

    6.1. 壓鑄模的工作特點

    6.1.1. 劇烈的溫度變化

    鋁合金壓鑄模的工作溫度為600℃左右,鋁合金液壓入型腔的速度45~ 108m / s, 壓力約為2000~ 12000N /cm2,保壓時間5~ 20s,每次壓射隔時間為20 ~ 75s。壓鑄模工作時,熔化的鋁合金液與模具工作零件表面接觸,模具工作零件表面迅速升溫到600℃左右,而內層尚處于較低的溫度,表層受熱膨脹,但受內層的約束,因而在表面產生壓應力;同時,模具成型表面受高溫、高速鋁合金液的反復沖刷。另外為防止粘附鋁合金液,頻繁涂抹防粘涂料, 易引起成型表面溫度的劇烈波動,都會產生較大的應力;工件脫模后,由于向模具工作表面噴撒冷卻劑,使模具工作表面急劇冷卻而收縮,當模具工作表面收縮受到約束時,便產生切向拉應力。這樣在其表面產生的循環熱應力,是引起鋁合金壓鑄模冷熱疲勞的根本原因。


    6.1.2. 鋁合金易粘附在模具工作表面

    鋁合金壓鑄模工作一段時間后,液態鋁合金易產生粘模,造成鑄件冷卻緩慢,晶粒粗大, 鑄件頂出變形,壓鑄模局部卡死甚至損壞,延長開型時間,降低生產率等。


    6.2. 影響壓鑄模壽命的主要因素

    6.2.1. 模具設計

    模具設計對模具使用壽命至關重要。模壁不能過薄,若壁厚不足,則在巨大壓力下可致模腔變形,在容易引起應力集中的部位(如過渡圓角半徑過小部位)很快會出現裂紋;模具內冷通道的位置或間距設計不合理,模具各部分之間的溫差將會增大,會使各部位膨脹程度不同,因而產生內應力,從而導致模具變形,當模具閉合時,就有可能造成局部接觸或點接觸,各部位所受壓力極不均勻,使模具產生嚴重的局部過載,而導致模具早期開裂。


    6.2.2. 模具制造

    模具在制造加工過程中的每一個工序,如機械加工、熱處理、裝配等工序是否合理均可影響到模具使用壽命。機械加工中的磨削加工對模具壽命影響大。如因砂輪不鋒利或冷卻不當,有可能使模具表面產生磨削裂紋;因冷卻不當,使砂輪對模具表面強力摩擦產生較高熱量,導致模具表面氧化,降低模具的耐磨性和耐蝕性;磨削熱造成的殘余拉應力,會降低模具的冷熱疲勞與機械疲勞抗力。熱處理過程中發生表面脫碳,將會降低模具的表面強度,并出現殘余拉應力,由此而降低模具的機械疲勞抗力、耐磨性和耐蝕性。模具裝配時, 若鑲塊與模體沒能緊密接觸,而是線接觸或點接觸,使鑲塊受力不均勻,容易導致鑲塊過早開裂。


    6.2.3. 操作技術

    模具使用前需先進行預熱。預熱不僅可提高模具鋼的韌性,同時也可降低模具斷面上的溫度差,這樣會降低模具的熱應力,從而減少開裂的危險。如果未經預熱而直接使用,有時第 一次壓鑄就使模具失效;用涂料對壓鑄模進行潤滑,可有效地提高模具壽命。


    6.2.4. 模具材料

    應根據模具的工作條件和模具鋼的性能特點,合理選用模具材料。如3Cr2W8V 鋼的耐熱性能高于H13鋼,但H13鋼的韌性、抗氧化能力、冷熱疲勞抗力均比3Cr2W8V鋼高。故鋁合金壓鑄模應采用H13鋼制造;而對銅合金壓鑄模,采用3Cr2W8V鋼比H13鋼可獲得較高壽命。


    6.2.5. 壓鑄工藝

    壓鑄工藝的合理選用,能確保壓鑄件的質量的提高壓鑄模的使用壽命。過高的壓射比會使壓鑄模受到金屬液的沖刷和增加粘模的可能性,降低壓鑄模的使用壽命;金屬澆注溫度過高,收縮大,鑄件易產生裂紋、晶粒粗大, 還能造成粘模,降低壓鑄模的使用壽命;壓鑄模工作溫度過高,會使液態金屬產生粘模,鑄件頂出變形,壓鑄模局部卡死甚至損壞。


    7. 國內外常用的鋁壓鑄模材料

    7.1. 馬氏體二次硬化型鋼

    目前國內外廣為應用的鋁壓鑄模具鋼大多是馬氏體二次硬化型鋼,該類鋼種主要利用高溫回火時析出彌散合金碳化物作為強化相,具有較高的抗回火穩定性及熱強性。以下是幾種常用的馬氏體二次硬化型鋁壓鑄模具鋼。


    7.1.1. H13 鋼

    AISI標準的H13鋼是目前世界上用量大的二次硬化型鋁壓鑄模具鋼,90%以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。該鋼具有良好的抗熱疲勞性及較高的韌性,經過適當的表面處理后,其使用壽命可達到相當高的水平。由于H13鋼是相當成熟的壓鑄模具鋼,通過提高冶煉質量可進一步改進性能。優質H13鋼就是采用EAF或UHP( 電弧爐和超高功率電弧爐) + 爐外精煉(如VHD、VAD、LF 等) 而得到的。與H13鋼相比,優質H13鋼中夾雜物及氣體含量大大降低,材料的韌性及其它一些力學性能也相應提高。H13鋼與優質H13鋼使用壽命的比較,可見優質H13鋼的使用壽命普遍高于普通H13鋼。


    7.1.2. QRO 系列

    瑞典Bofors 公司在H10鋼的基礎上加入2.8%的Co研制出一種新型壓鑄模具鋼QRO45,該鋼具有優良的抗軟化性能。在600℃以上,其高溫強度比H13鋼高。之后瑞典的Uddholm 公司又相繼開發出QRO80M和QRO90Supreme壓鑄模具鋼。與H13鋼相比,QRO80M和ORO90Supreme鋼含有較低的Cr,同時增大了鋼中的Mo含量,從而推遲了高溫穩定性較好的MC型碳化物向穩定性較差的M23C6型碳化物轉變,使該鋼種具有更為持久的高溫強度以及抗熱疲勞性能。


    在500~700℃時,QRO90Supreme鋼中的碳化物多為尺寸小、熱穩定性高的MC型碳化物, 而H13鋼僅在500~600℃時為MC型碳化物,在600~700℃時,MC型碳化物轉變為尺寸大、熱穩定性差的M23C6型碳化物。這些碳化物對材料性能的影響當溫度小于580℃時,H13鋼的硬度高于QRO90Supreme鋼,但當溫度大于580℃后,由于H13鋼中的MC型碳化物轉變為M23C6 型碳化物,因而其硬度下降較快,而QRO90Supreme鋼此時仍保持較高硬度。Uddholm 公司的試驗結果,QRO90Supreme 鋼的使用壽命為H13鋼的兩倍多,被稱為90年代的壓鑄模具材料。


    7.1.3. Cr -N 二次硬化鋼

    H13鋼和QRO90Supreme鋼的高溫強化機理都是利用碳化物的二次硬化作用,而美國專利熱作模具鋼Cr-N鋼則是利用N的固溶強化及氮化物的析出強化作用。這種鋼是由低C、高Cr含N鋼發展而來,在含11%Cr的鋼中加入0.10%的N,除了利用固溶強化效果外,同時也可形成氮化物以增強材料的耐磨性。這種強化機制克服了H13鋼的一些脆性斷裂問題,具有優良的抗熱疲勞性能。有資料報道,用該鋼種制成的鋁壓鑄模的使用壽命高達80~100萬次。 


    7.2. 馬氏體時效鋼

    馬氏體時效鋼具有良好的強韌性配合,高溫下的強韌性比H13鋼好得多,是優良的大型鋁合金壓鑄模材料。此外,馬氏體時效鋼還有良好的工藝性能和焊接性能。由于馬氏體時效鋼中的合金含量較高,因而價格較貴。盡管如此,對于那些需要長壽命的模具,由于采用該鋼而使模具壽命延長所節省的費用,足以抵消材料費用的超支。據介紹 ,Mar-M300制成的某模具,其材料成本比優質H13高20%左右,但壽命卻超過優質H13鋼152%,超過普通H13 鋼268%。較差的導熱性限制了馬氏體時效鋼推廣應用,使得模具壓射周期延長,生產率降低。


    7.3. 難溶金屬

    難熔金屬模具材料主要包括W基合金和Mo基合金。Anviloy1150是W基合金中比較有代表性的一種。它含有90%W和4%Mo,兩種元素都具有相當高的熔點。為使冶煉溫度可以實現,又加入了兩種熔點較低的組分:4%Ni,2%Fe。這種材料具有高的導熱性和低的熱膨脹性能,因而對于抗熱疲勞較為有利但較低的塑韌性使得加工變得很困難。Z常用的Mo基合金是T ZM合金,它具有相當高的蠕變強度和韌性,抗熱疲勞性能也比普通模具鋼好得多。難熔金屬被廣泛用作型芯材料,且很少有必要配備水冷系統。有時在鋁壓鑄模型腔內易被侵蝕的部位也可采用。


    8. 提高模具壽命的方法措施

    8.1. 采用減少溫差的工藝措施

    在操作前將壓鑄模進行預熱。各類壓鑄模的預熱溫度可參照:鋁合金模120~230℃、鋅合金模110~200℃、鎂合金模120~230℃、銅合金模170~250℃、鋁鎂合金模150~240℃。另外,在模具冷卻過程中為減少熱應力,可把冷卻水加熱到30~40℃。


    8.2. 采用減小應力或改變應力性質的處理工藝

    8.2.1. 對壓鑄模進行中間去應力回火

    進行中間去應力回火,可提高模具壽命1~2倍。中間去應力回火應在出現裂紋之前進行,回火溫度應比原來的回火溫度低30~ 50℃。其間隔時間應根據壓鑄模類型、壓鑄件大小(質量),視各廠具體情況而確定,可參照表1。


    表1  各類壓鑄模第 一次去應力回火時間


    模具類型


    回火時間


    鋁合金壓鑄模


    銅合金壓鑄模


    ≦100g


    100g﹤﹤500g


    ﹥500g


    ≤100g


    100g﹤500g


    ﹥500g


    第 一次時間


    25000次后


    10000次后


    5000次后


    3000次后


    2000次后


    1000次后


    8.2.2. 對壓鑄模成型表面進行噴丸處理

    噴丸處理可使模具成型表層形成壓應力,使表層的細微裂紋封閉而不易擴展,推遲熱疲勞裂紋的形成和擴展,從而使模具壽命得到提高。


    8.3. 熱處理工藝

    8.3.1. 滲氮

    滲氮可提高壓鑄模的耐磨性、抗浸濁性, 并可防止鋁、銅等壓鑄件的粘模。滲氮后再經過適當的降低滲層脆性的回火處理,可提高模具的冷熱疲勞抗力。如3Cr2W8V鋼制造的電風扇支架及底架鋁合金壓鑄模,經加氧滲氮工藝處理后,模具壽命提高了近14倍,且脫模容易,壓鑄件質量高。


    8.3.2. 碳硼共滲

    采用40Cr鋼制造鋁合金壓鑄模的工作零件,經碳硼共滲后,可使模具工作零件既有極強的表面強度、良好的紅硬性和抗氧化性,又具有較深的滲層和平緩的硬度分布梯度,模具使用壽命可提高3~ 4倍。


    8.3.3. 模具預處理

    采用快速勻細球化退火工藝,可有效地解決壓鑄模具用鋼的組織不均的尺寸敏感性。如用HM3鋼制造的122cm吊扇上下蓋鋁合金壓鑄模,經上述工藝后,模具使用壽命達23萬件以上,且模具表面質量良好,脫模容易,未發現熱疲勞和沖蝕現象。


    8.4. 合理選擇模具的硬度

    不同類型的壓鑄模,因被壓鑄材料的澆注溫度高低不同,這就要求模具回火溫度不同,澆注溫度越高,模具的回火溫度也應越高,因而模具的硬度也就越低。如3Cr2W8V鋼制造鋁合金壓鑄模時,硬度為44~48HRC;而制造銅合金壓鑄模時,硬度為42~44HRC為宜。


    8.5. 優化模具結構和合理壓鑄工藝

    在設計壓鑄模時,必須全面分析鑄件結構,熟悉壓鑄機操作過程及工藝參數可調范圍,分析金屬液的充填特點,優化壓鑄模的模具結構;選擇合理的壓射比壓、充填速度、澆注溫度等工藝參數,延長壓鑄模的使用壽命。各種壓鑄合金的澆注。溫度見表2。


    表2  各種壓鑄合金的澆注溫度


    合金


    鑄件壁厚≦3mm


    鑄件壁厚﹥3mm


    結構簡單


    結構復雜


    結構簡單


    結構復雜


    鋁合金


    610~680


    640~700


    590~660


    610~680


    鋅合金


    420~440


    430~450


    410~430


    420~440


    鎂合金


    640~680


    660~700


    620~660


    640~680


    銅合金


    870~940


    900~970


    850~920


    870~940


    8.6. 合理選用模具新材料

    應根據模具的工作條件和模具鋼的性能特點,合理選用模具新材料。如用H13鋼制造的鋁合金壓鑄模具,壽命遠高于3Cr2W8V鋼制造的模具;用Y10鋼制造商的鋁合金壓鑄模具,使用壽命比3Cr2W8V鋼制造提高近10倍。


    8.7. 規范操作

    對壓鑄模用涂料進行潤滑,對服役一定時間的模具,中間安排低溫回火,以消除模具中的內應力;對模具進行預熱;對模具間歇工作時的保溫等都可有效提高模具壽命1~4倍。在實際生產中,我們應重視對失效模具進行分析,找出失效原因,并提出相應措施來提高壓鑄模的使用壽命。如某廠用H13鋼料制作的一款鋁合金烤盤壓鑄模,在使用5000多次后,模面出現了嚴重的龜背狀裂紋,以致失效而不能繼續使用。與其它使用壽命達數萬次的H13鋼制鋁合金烤盤壓鑄模相比,顯然屬早期失效現象,給企業生產帶來了經濟損失。為此對失效模具進行分析,經宏觀檢查,硬度檢測,化學成份檢測,金相檢查與分析等技術手法,得出以下結論:


    (1)失效模具表面大面積開裂屬于熱疲勞開裂。


    (2)失效模具材料化學成分中Mo和V元素含量偏低,降低了材料的高溫強韌性和熱疲勞抗力;同時導致材料的熱處理工藝控制不準確,組織較粗大,強度足。


    (3)材料組織中存在不容忽視的冶金缺陷,削弱了材料的強度。


    (4)材料中的帶狀組織影響了材料的均一性,使材料性能出現各向異性,以致裂紋易于萌生和擴展,導致材料的熱疲勞強度降低。


    9. 結束語

    模具使用壽命是在一定時期內模具材料性能、模具設計、加工及熱處理工藝、模具使用與維護等各項指標的綜合體現。因此,研究模具的壽命特性、分析模具的失效機理已越來越受到模具工業技術領域的重視。對壓鑄模失效及提高壓鑄模壽命進行研究,對壓鑄生產意義重大。目前我國鋁壓鑄模的使用壽命普遍較低,約2~10萬模次,而日本為7~21萬模次,德國為10~25萬模次,許多壓鑄廠仍采用傳統的3Cr2W8V模具鋼,致使模具過早報廢,壓鑄件生產成本升高,勞動生產率降低。當務之急應加速推廣優質模具材料如H13鋼等,進一步加強鋁壓鑄模具材料的研究開發,在對國外優質模具材料消化吸收的基礎上,開發出適合我國國情的優質鋁壓鑄模具鋼。


    鋁合金壓鑄模具

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